Pengerasan permukaan (case-hardening)

Pengerasan permukaan digunakan untuk menghasilkan lapisan permukaan yang keras dan tahan aus pada benda kerja baja, sementara ketangguhan pada inti sebagian besar dipertahankan. Anda akan menemukan informasi lebih lanjut tentang berbagai proses serta kelebihan dan kekurangannya di artikel ini.

Artikel ini memberikan jawaban atas pertanyaan-pertanyaan berikut, antara lain:

• Apa karakteristik benda kerja yang diperkeras permukaan?
• Bagaimana kedalaman lapisan pengerasan dikendalikan selama pengerasan api?
• Apa kelebihan pengerasan induksi dibandingkan pengerasan api?
• Mengapa pengerasan laser tidak membutuhkan pendinginan dengan air?
• Baja mana yang cocok untuk pengerasan case dan apa sifat mekanis dari komponen pengerasan case?
• Apa itu pengerasan single-quench, pengerasan double-quench dan pengerasan langsung?
• Untuk baja mana pengerasan pendinginan tunggal atau ganda digunakan dibandingkan dengan pengerasan langsung?
• Bagaimana perbedaan nitridasi dari semua metode pengerasan permukaan lainnya?
• Apa tujuan utama nitridasi?

Lapisan permukaan yang keras sangat penting untuk meningkatkan ketahanan aus komponen kontak. Dalam kasus ini, pengerasan dapat digunakan sebagai kemungkinan perlakuan panas. Kerugiannya, bagaimanapun, adalah menurunnya ketangguhan atau embrittlement baja secara bersamaan, yang dapat menyebabkan kegagalan material yang tidak terduga. Karena alasan ini, mungkin hanya masuk akal untuk mengeraskan permukaan benda kerja sehingga inti komponen tetap mempertahankan ketangguhannya ( pengerasan sebagian ). Ini dikenal sebagai pengerasan permukaan .

Dengan pengerasan permukaan, hanya lapisan permukaan yang dikeraskan untuk meningkatkan ketahanan aus, sehingga inti komponen tetap tangguh!

Roda bergigi adalah kasus khusus di mana pengerasan permukaan digunakan. Namun, crankshafts atau camshafts biasanya juga diperkeras permukaan setelah pendinginan dan penempaan . Tergantung pada aplikasinya, berbagai metode pengerasan permukaan telah dikembangkan. Yang paling penting akan dibahas lebih terinci di bagian berikut.

Pengerasan api

Dengan pengerasan api, api pembakar dilewatkan di atas permukaan benda kerja untuk dikeraskan, yang kemudian di-austenitisasi. Nosel air dipasang tepat di belakang api burner, yang kemudian memberikan pendinginan yang diperlukan untuk membentuk martensit (pendinginan). Tempering selanjutnya tidak biasa untuk pengerasan api! Ini umumnya juga berlaku untuk proses pengerasan permukaan lainnya, karena inti yang tidak dikeraskan memberikan ketangguhan yang cukup.

Ketebalan lapisan permukaan yang mengeras tergantung pada kecepatan di mana api burner dipindahkan ke permukaan benda kerja (disebut umpan ). Semakin lambat kecepatannya, semakin dalam panas yang bisa ditembus dan memperkuat struktur mikro dan semakin tebal lapisan permukaan yang mengeras setelah pendinginan. Pada saat yang sama, tentu saja, laju pendinginan yang diperlukan untuk pembentukan martensit di lapisan marginal yang lebih dalam juga harus dipastikan! Karena elemen paduan umumnya mengurangi laju pendinginan kritis, lapisan permukaan yang lebih dalam dapat dikeraskan dengan baja paduan tinggi.

Dengan pengerasan api, api burner dipindahkan di atas benda kerja dan didinginkan dengan nozel air! Kedalaman pengerasan dikendalikan oleh laju umpan!

Karena pengaturan nozel yang relatif besar, pengerasan api terbatas, terutama untuk komponen kecil dengan geometri kompleks. Pengerasan api juga umumnya lebih rendah daripada pengerasan induksi dan pengerasan laser dalam hal akurasi (penyesuaian kedalaman pengerasan).

Pada prinsipnya, pemanasan harus dilakukan secepat mungkin untuk menjaga zona yang terkena panas pada area yang tidak diinginkan seminimal mungkin. Kalau tidak, ada risiko tekanan termal atau distorsi geometri komponen (pengerasan distorsi). Selain itu, waktu pemanasan yang lama menyebabkan peningkatan penskalaan , yang biasanya membutuhkan postprocessing khusus. Namun, dalam kasus pemanasan cepat, harus dicatat bahwa tidak ada lagi keadaan kesetimbangan termodinamik dalam mikrostruktur. Akibatnya, suhu transformasi untuk austenitisasi bergeser ke suhu yang lebih tinggi!

Pengerasan induksi

Nyala api selama pengerasan api umumnya mengarah ke zona besar yang terkena panas. Dengan geometri kecil, ini dapat menyebabkan pengerasan penuh yang tidak diinginkan pada seluruh penampang. Untuk mengeraskan benda kerja berdinding tipis seperti itu hanya pada permukaannya dalam kisaran beberapa persepuluh milimeter, apa yang disebut pengerasan induksi dapat digunakan.

Prinsip pengerasan induksi didasarkan pada efek induksi, yang juga digunakan pada kompor induksi atau transformator. Arus bolak-balik frekuensi tinggi dihasilkan dalam elektroda alat tembaga ("kumparan primer") yang disesuaikan dengan bentuk benda kerja yang akan dikeraskan. Hal ini pada gilirannya mengarah ke medan magnet yang terus berubah di sekitar elektroda, yang menembus ke benda kerja yang berdekatan dan menghasilkan arus eddy  karena efek induksi ("kumparan sekunder"). Arus eddy yang sangat besar ini hingga beberapa ribu ampere per milimeter persegi menyebabkan pemanasan benda kerja.

Fakta bahwa panas terutama dihasilkan di permukaan daripada di dalam material disebabkan oleh fenomena fisik lain, yang disebut efek kulit . Sementara kerapatan arus dalam penampang konduktor konstan dengan arus searah, dengan arus bolak-balik kerapatan arus meningkat dengan meningkatnya frekuensi di daerah luar dan berkurang di dalam. Frekuensi arus eddy dalam benda kerja tergantung pada frekuensi arus bolak-balik dalam elektroda (juga disebut induktor). Ini juga menghasilkan kontrol yang relatif sederhana dari kedalaman pengerasan. Semakin tinggi frekuensinya, semakin kuat efek kulit dan semakin tipis lapisan yang akan mengeras.

Frekuensi yang akan disesuaikan karena itu tergantung pada ketebalan lapisan kekerasan yang akan dicapai. Pada frekuensi utilitas 50 Hz, kedalaman pengerasan dalam kisaran 20 mm hingga 10 mm dapat dicapai. Dalam rentang frekuensi menengah dari 1 kHz hingga sekitar 10 kHz, kedalaman pengerasan sekitar 5 hingga 1 mm dapat dicapai. Dalam rentang frekuensi tinggi hingga beberapa megahertz, bahkan kedalaman pengerasan hanya beberapa persepuluh milimeter dapat dicapai.

Dengan pengerasan induksi, benda kerja dipanaskan oleh arus eddy yang diinduksi. Kedalaman pengerasan dikendalikan oleh frekuensi arus bolak-balik!

Dengan pengerasan induksi, permukaan austenitisasi biasanya didinginkan dengan cara shower air hilir, yang ditarik secara merata di atas benda kerja bersama dengan induktor. Dalam kasus di mana hanya kedalaman pengerasan yang sangat rendah tercapai, pendinginan juga dapat dilakukan tanpa air oleh inti material yang relatif dingin (pendinginan sendiri). Karena kekerasan yang sangat tinggi dapat dicapai di permukaan selama pengerasan induksi, tegangan sisa yang tinggi dapat terjadi. Ini mungkin memerlukan pengerasan selanjutnya pada suhu rendah.

Waktu pemanasan umumnya jauh lebih pendek dengan pengerasan induksi daripada dengan pengerasan api, karena output pemanasan spesifik beberapa kilowatt per sentimeter persegi dapat dicapai, yaitu sekitar. 10 kali lebih besar. Ini memiliki keuntungan bahwa penskalaan relatif rendah dan upaya pasca-pemrosesan berkurang. Ini juga secara signifikan mengurangi risiko pengerasan distorsi.

Selain itu, tidak ada gas buang (beracun) yang dihasilkan selama pengerasan induksi dibandingkan dengan pengerasan api. Keuntungan lain dari pengerasan induksi adalah semakin panasnya permukaan, asalkan induktor secara optimal disesuaikan dengan benda kerja. Ini membutuhkan upaya desain alat tinggi di muka sehingga pengerasan induksi ekonomis, terutama di jalur produksi otomatis dengan ukuran batch yang tinggi. Karena biaya listrik yang tinggi, efisiensi ekonomi meningkat ketika hanya ukuran permukaan yang kecil harus dikeraskan pada benda kerja.

Pengerasan induksi dapat dengan mudah otomatis dan cocok untuk geometri yang kompleks, terutama dalam produksi massal! Scaling dan pengerasan distorsi kurang dari pengerasan api!

Pengerasan laser

Laser-beam hardening (pengerasan laser) bahkan menawarkan waktu pemanasan yang lebih singkat daripada pengerasan induksi. Ini secara signifikan mengurangi distorsi dan penskalaan kekerasan yang sudah rendah. Di bawah gas inert, oksidasi permukaan bahkan dapat sepenuhnya dicegah.

Dalam pengerasan laser, sinar laser dengan daya spesifik sangat tinggi (sekitar faktor 10 dibandingkan dengan pengerasan induksi) dipandu di atas permukaan benda kerja yang akan di-austenitisasi. Output termal yang sangat besar dari laser dioda beberapa kilowatt menghasilkan suhu tepat di bawah titik leleh dalam waktu yang sangat singkat! Karena input panas hanya terbatas pada titik fokus lokal laser, pemanasan yang tidak perlu dari area yang tidak diinginkan dihindari. Ini berarti bahwa area yang dipanaskan secara lokal cepat padam oleh area sekitarnya yang lebih dingin. Yang disebut pendinginan diri ini menghilangkan kebutuhan untuk pendinginan dengan air.

Dengan pengerasan laser, permukaan dipanaskan oleh sinar laser dan didinginkan oleh disipasi panas di benda kerja (pendinginan sendiri)!

Spot laser mencakup lebar lintasan 1 hingga sekitar. 50 mm, tergantung pada fokus dan kontrol proses. Lapisan permukaan yang lebih besar harus dipindai garis demi garis dengan laser. Kedalaman pengerasan umum dengan pengerasan laser berada di kisaran 0,1 mm hingga 2 mm. Seperti halnya dengan pengerasan induksi, semakin kecil permukaan yang akan dikeraskan dan semakin dangkal kedalaman lapisan permukaan, semakin besar efektivitas biaya pengerasan laser. Pengerasan laser sangat cocok untuk area yang sangat sulit diakses, seperti lubang yang disadap .

Dengan pengerasan laser, hanya permukaan kecil yang dapat dikeraskan secara ekonomis. Kedalaman pengerasan bisa dijaga sangat rendah!

Kasus pengerasan

Ketangguhan (daktilitas) baja meningkat dengan menurunnya kandungan karbon, karena sementit yang kurang rapuh ditemukan dalam struktur mikro. Jika komponen menjadi sangat tangguh, mereka harus relatif rendah karbon. Namun, pada saat yang sama, pengerasan bahan berkurang karena kandungan karbon yang rendah, karena karbon terlarut paksa dalam kisi secara khusus mengarah pada pembentukan martensit yang diperlukan. Sebagai pedoman, kandungan karbon harus minimal 0,3% untuk pengerasan. Namun, komponen seperti roda bergigi harus menggabungkan kedua sifat kontradiktif:

• kandungan karbon rendah di inti untuk ketangguhan tinggi (penyerapan beban dinamis) dan
• kandungan karbon tinggi pada permukaannya untuk pengerasan lapisan permukaan (peningkatan ketahanan aus).

Untuk aplikasi seperti itu, pengerasan kasus cocok, yang umumnya disusun sebagai berikut:

• karburisasi
• pendinginan (tidak diperlukan untuk pengerasan langsung )
• pengerasan (pendinginan & tempering)

Dalam kasus pengerasan, baja rendah karbon ( case hardening steel ) dengan maksimum 0,2% karbon pertama kali terkena lingkungan yang mengandung karbon. Pada hari-hari awal, baja praktis ditempatkan dalam "case" coke menyala. Karbon kemudian berdifusi ke dalam lapisan permukaan, di mana ia mengarah ke pengayaan kandungan karbon ke tingkat sekitar 0,8% karbon, sementara inti tetap rendah karbon. Akumulasi karbon di lapisan permukaan ini juga disebut karburisasi .

Karena hanya struktur austenit yang mampu menyerap karbon dalam jumlah yang cukup, suhu selama karburisasi di atas 900 ° C dengan waktu karburisasi beberapa jam. Kedalaman karburasi 0,1 hingga sekitar 5 mm dapat dicapai secara ekonomis dengan metode ini. Karena karburisasi adalah proses yang dikontrol difusi, waktu karburisasi dapat dikurangi dengan suhu yang lebih tinggi, tetapi pada saat yang sama risiko pembentukan butir kasar meningkat.

Karburisasi dapat dilakukan dengan berbagai cara. Selama karburisasi gas, komponen terpapar ke atmosfer yang mengandung karbon. Ini sangat ekonomis dalam produksi massal. Karburisasi dalam rendaman garam juga dimungkinkan. Selain itu, dimungkinkan untuk karburasi benda kerja dalam butiran karbon bubuk.

Setelah lapisan permukaan telah dikarburasi ke tingkat yang dapat mengeras yang diinginkan, proses pengerasan yang sebenarnya terjadi, di mana inti yang relatif rendah karbon sedikit padam dan marah . Pendinginan yang diperlukan untuk ini bisa dilakukan

• setelah pendinginan lambat dari keadaan panas (pengerasan pendinginan tunggal dan ganda) atau
• langsung dari kondisi karburisasi yang masih panas (pengerasan langsung).

Setelah pendinginan, komponen yang mengeras selalu marah dan dengan demikian memperoleh sifat layanan akhir mereka. Di atas segalanya, peningkatan kekuatan kelelahan membuat pengerasan case sangat menarik untuk komponen yang ditekan secara dinamis seperti roda gigi atau poros penggerak.

Dengan pengerasan case, baja rendah karbon pertama kali diperkaya dengan karbon di lapisan permukaan (karburisasi) dan kemudian padam! Komponen seperti itu ditandai dengan kekerasan permukaannya yang tinggi dikombinasikan dengan inti yang sangat tangguh (karena kandungan karbonnya rendah)!

Pengerasan single-quench

Pengerasan quench tunggal adalah proses pengerasan case khusus. Sangat cocok untuk baja yang cenderung membentuk butiran kasar selama karburisasi atau untuk komponen yang masih membutuhkan pemesinan menengah sebelum pengerasan. Dalam proses ini, baja didinginkan perlahan setelah karburasi. Untuk proses pengerasan yang sebenarnya, baja kemudian dipanaskan lagi dalam langkah proses terpisah. The γα

Suhu pengerasan dapat dipilih sehingga austenitisasi terutama terjadi di daerah marginal (karena permukaan karburasi, suhu yang diperlukan untuk austenitisasi lengkap lebih rendah di sana daripada di daerah inti karbon rendah!) Keadaan austenitisasi ini sekitar 750 ° C kemudian didinginkan untuk mencapai formasi martensit yang diinginkan pada lapisan permukaan.

Karena suhu pengerasan permukaan yang relatif rendah, inti karbon rendah tidak sepenuhnya di-austenisasi, sehingga tidak ada struktur inti martensitik yang terbentuk setelah pendinginan. Sisa ferit diharapkan dalam inti. Dalam hal ini, suhu pengerasan lebih disukai disesuaikan dengan sifat yang diinginkan dari lapisan permukaan untuk mencapai sifat permukaan yang optimal. Inilah sebabnya mengapa proses ini juga disebut sebagai pengerasan permukaan atau pengerasan pendinginan tunggal dari suhu pengerasan permukaan .

Pada prinsipnya, suhu pengerasan juga dapat dipilih sehingga inti secara khusus austenitisasi. Namun, karena kandungan karbon yang lebih rendah, suhu sekitar lebih tinggi. Diperlukan 900 ° C. Disebut ini suhu inti pengerasan kemudian digunakan untuk pendinginan. Namun, karena suhu tinggi, struktur mikro seperti jarum di lapisan permukaan diharapkan terjadi selama pengerasan inti. Dalam hal ini, kontrol suhu sebaiknya disesuaikan dengan sifat-sifat inti yang diinginkan untuk mencapai sifat-sifat inti yang optimal. Inilah sebabnya mengapa proses ini juga disebut sebagai pengerasan inti atau pengerasan pendinginan tunggal dari suhu pengerasan inti .

Pengerasan pendinginan tunggal secara khusus mempengaruhi sifat-sifat permukaan (pengerasan permukaan) atau inti (pengerasan inti)!

Pengerasan quench ganda

Pada prinsipnya, kombinasi pengerasan inti dan permukaan juga dimungkinkan. Setelah karburasi, benda kerja pertama kali didinginkan perlahan dan kemudian dipanaskan kembali ke suhu pengerasan inti atau didinginkan ke suhu pengerasan inti segera setelah karburisasi. Bahan tersebut kemudian didinginkan untuk menyesuaikan sifat inti. Selanjutnya, bahan dipanaskan kembali ke suhu pengerasan permukaan dan kemudian didinginkan untuk mendapatkan sifat permukaan yang optimal. Namun, karena perubahan suhu permanen, distorsi kekerasan dalam pengerasan pendinginan ganda ini relatif tinggi.

Dengan pengerasan ganda, pertama sifat-sifat inti yang diinginkan diadaptasi (pengerasan inti) dan kemudian sifat-sifat permukaan (pengerasan permukaan)!

Pemanasan ulang selama pengerasan quench tunggal dan ganda membuat proses ini relatif hemat energi dan waktu dan karenanya mahal. Keuntungannya, bagaimanapun, adalah penyempurnaan butir yang terjadi melalui γα

Pengerasan pendinginan tunggal dan ganda biasanya dilakukan pada baja dengan kecenderungan pembentukan butir kasar, karena efek rekristalisasi terjadi selama γα

Pengerasan langsung

Pengerasan langsung adalah proses pengerasan kasus khusus. Dalam proses ini, baja didinginkan secara langsung setelah karburasi dari keadaan yang sudah dipanaskan. Dibandingkan dengan pengerasan pendinginan tunggal dan ganda, pengerasan langsung lebih sedikit memakan waktu dan energi dan karenanya lebih murah, karena pemanasan ulang tidak diperlukan. Pengerasan langsung selalu cocok ketika baja tidak cenderung membentuk butiran kasar dan oleh karena itu pengerasan pendinginan tunggal atau ganda tidak diperlukan.

Tergantung pada suhu di lapisan permukaan atau di inti, baik sifat lapisan permukaan atau sifat inti benda kerja dapat secara khusus dipengaruhi selama pendinginan. Untuk tujuan ini, komponen didinginkan hingga suhu pengerasan inti setelah karburisasi atau dibawa ke suhu pengerasan case. Setelah pendinginan, penempaan terjadi lagi pada suhu rendah.

Dalam pengerasan langsung, baja panas dipadamkan langsung dari keadaan karburisasi!

Nitridasi

Proses pengerasan permukaan yang dijelaskan sejauh ini semuanya memiliki kesamaan bahwa lapisan permukaan keras dicapai oleh mikrostruktur martensit. Namun, transformasi semacam itu bisa menjadi masalah jika benda kerja harus akurat secara dimensi, karena transformasi mikro umumnya mengarah pada pengerasan distorsi. Lapisan skala yang membentuk mungkin juga harus dikerjakan ulang. Dalam kasus seperti itu, pengerasan nitrida ( nitriding ) dapat memberikan obat, yang tidak memerlukan transformasi mikrostruktur. Nitriding karenanya bukan salah satu metode pengerasan permukaan klasik dengan cara transformasi mikrostruktur.

Nitridasi tidak didasarkan pada pembentukan martensit tetapi pada pembentukan nitrida keras dan tahan aus pada permukaan komponen!

Selama nitridasi, baja paduan terpapar pada lingkungan nitrogen pada suhu sekitar 500° C. Atom nitrogen berdifusi ke permukaan baja dan bergabung di sana dengan elemen paduan seperti aluminium, kromium, molibdenum, vanadium dan titanium untuk membentuk nitrida keras dan tahan aus.

Nitriding memerlukan baja khusus yang mengandung elemen paduan pembentuk nitrida, yang disebut baja nitriding (misalnya 34CrAlMo5). Nitrida yang terbentuk di permukaan juga menyebabkan tekanan pada material. Namun, ini tidak mewakili kelemahan tetapi meningkatkan kekuatan kelelahan komponen ke tingkat khusus karena tegangan tekan residual yang disebabkan! Lapisan nitrida juga meningkatkan ketahanan korosi.

Nitriding digunakan khususnya untuk meningkatkan kekuatan keletihan komponen yang tertekan secara dinamis!

Sementara kekerasan permukaan meningkat dengan kuat karena nitrida terbentuk, sifat-sifat inti komponen tetap tidak terpengaruh, karena nitrida hanya terbentuk di permukaan. Ketebalan lapisan berkisar dari 0,1 mm hingga 1 mm. Lapisan nitrida yang lebih tebal hanya dimungkinkan dengan upaya yang sangat tinggi. Waktu anil yang panjang kadang-kadang beberapa hari dapat membuat nitridasi sangat memakan waktu dan karenanya mahal.

Berbagi :