Karburisasi

Karburisasi adalah proses perlakuan panas termokimia yang dilakukan untuk menambah komposisi karbon dipermukaan baja. Dengan demikian agar baja tersebut dapat dikeraskan permukaanya perlu dilakukan pengubahan komposisi dari baja tersebut. Pengubahan  komposisi dilakukan dengan cara melarutkan karbon pada permukaan baja. Prinsip karburisasi tidak lain hanyalah mendifusikan karbon ke permukaan benda kerja. Proses karburisasi dilakukan pada temperatur berkisar 850^oC sampai dengan 950^o C. Proses karburisasi ini biasanya dilakukan pada baja karbon rendah dan baja karbon sedang.

Beberapa komponen mesin mempunyai masalah dalam soal keausan permukaan. Untuk mengatasi masalah tersebut perlu dilakukan pengerasan permukaan, dan salah satu proses pengerasan permukaan adalah dengan metode karburisasi. Reaksi dari proses karburisasi adalah :

CO₂  + C (arang)     -->              2 CO

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

Media karbon yang dibutuhkan dalam proses ini didapatkan dari media yang berbentuk gas, cair, ataupun padat. Pemanasan dengan temperatur rendah mengakibatkan karbon tidak dapat melebur didalam baja. Baja dan media  karburisasi harus dipanaskan secara bersama-sama selama berlangsungnya  proses karburisasi pada suhu tinggi. Dalam prakteknya karburisasi berkerja pada temperatur 870^oC -950^oC dan setelah dikarburisasi biasanya logam langsung diquenching atau didinginkan cepat.

Proses karburisasi bertujuan untuk :

1.      Meningkatkan kandungan karbon.

2.      Meningkatkan ketahanan aus.

3.      Meningkatkan ketahanan fatik.

4.      Menambah kekerasan pada permukaan baja.

A.   Karburisasi Padat (Pack Carburizing)

Proses ini memerlukan komponen-komponen padat sebagai media karburisasi. Material yang ingin diproses dimasukkan kedalam kotak tertutup kemudian ditaburi dengan media karbon seperti briket batubara yang terlebih dahulu telah dicampur dengan bahan kimia barium karbonat (BaCO₃) sebagai katalisator yang berfungsi sebagai pengubah bentuk karbon sehingga menjadi gas CO₂ secara keseluruhan. Gas ini bereaksi dengan karbon yang ada sehingga menghasilkan karbon monoksida yang bereaksi dengan permukaan baja dan membentuk atom karbon didalam baja. Reaksi-reaksi kimia yang terjadi selama dilakukannya proses karburisasi padat adalah  :

·         Pada temperatur rendah oksigen didalam udara bercampur dengan karbon yang terdapat pada media dan akan menghasilkan karbon dioksida dengan reaksi sebagai berikut :

CO₂ + C       -->            2 CO

·         Bila temperatur meningkat, reaksi keseimbangan kearah kanan dan menghasilkan karbon monoksida. Karbon monoksida berubah pada permukaan baja untuk menghasilkan karbon dioksida dan atom karbon, hal itu ditunjukkan dalam reaksi berikut ini :

       2 CO     -->            CO₂ + C

Atom karbon yang dihasilkan dari reaksi diatas kemudian larut dengan mudah kedalam fasa austenit pada baja dan berdifusi. Sedangkan karbon dioksida yang dihasilkan dari reaksi diatas bereaksi kembali dengan karbon yang terdapat pada media, diikuti kembali dengan penguraian CO pada permukaan logam. Siklus ini terjadi berulang-ulang selama proses karburisasi berlangsung.

Pada proses pembentukan gas CO₂ dan CO seperti yang telah diuraikan diatas, berlangsung dalam waktu yang sangat lambat. Untuk mengatasi hal tersebut maka didalam media ditambahkan katalisator. Katalisator yang dapat ditambahkan dalam proses ini antara lain adalah BaCO₃, BaCl, BaO, CaO dan dalam penelitian ini katalisator yang digunakan adalah BaCO₃ (Barium Karbonat). Media karbon yang digunakan dalam penelitian ini adalah briket batubara, dengan komposisi 95% briket batubara dan 5% barium karbonat. Pada temperatur yang tinggi, penambahan barium karbonat pada proses karburisasi berfungsi untuk mampercepat pembentukan gas CO seperti yang ditunjukkan oleh reaksi  berikut :

                                       BaCO₃ + C       -->         BaO + 2 CO

Karbon dioksida yang terbebas selama karburisasi dikeluarkan lebih cepat daripada kecepatan pembentukan. Hal ini disebabkan tekanan pengurainya lebih rendah dari barium karbonat ketika bereaksi dengan karbon dioksida, reaksinya sebagai berikut :

                                      BaO + CO₂          -->           BaCO₃      

·         Setelah temperatur karburisasi dicapai dengan waktu yang singkat, kondisi perubahan keseimbangan terjadi secara serentak dan terus menerus. Kerja katalis sebenarnya adalah untuk memisahkan oksida logam dengan karbon dioksida sesuai dengan reaksinya :

                                       BaCO₃       -->            BaO + CO₂

Karbon dioksida kemudian terbebas, reaksi dengan karbon yang timbul membentuk karbon monoksida. Reaksinya adalah :

CO₂ + C      -->             2 CO                                          

                                                 2 CO       -->                CO₂ + C

Karbon monoksida yang terbentuk kemudian akan larut dalam fasa austenit dan akan bereaksi dengan Fe, reaksinya :

                                     3 Fe  +   2 CO       -->              Fe₃C  +  CO₂

B   Karburisasi Gas

Karburisasi gas menggunakan media gas yang berasal dari butan, propan, lalu dicampur dengan udara dan Ni sebagai katalis. Pada pengkarbonan dengan gas, kadar karbon  yang terbentuk di permukaan baja dapat dikontrol. Proses ini biasanya dilakukan untuk pengerjaan pada komponen-komponen yang kecil. Benda kerja diletakkan pada suatu jenis tungku tertentu dimana proses karburisasi berlangsung dengan jalan mengalirkan gas. Gas yang digunakan adalah gas CO dan gas hidrokarbon.

Gas untuk karburisasi dapat diperoleh dengan cara :

·   Mengalirkan cairan karburisasi kedalam tungku. Cairan ini kemudian diteteskan pada suatu pelat dalam tungku sehingga cairan tersebut berubah menjadi uap.

·    Mengalirkan gas yang dibuat dalam suatu generator.

·    Mengalirkan gas hidrokarbon dan udara secara langsung kedalam tungku.

· Melaksanakan proses karburisasi dalam tungku vakum dengan cara mengalirkan gas hidrokarbon kedalam tungku. Dengan cara ini pelaksanaan proses karburisasi cair dapat dilakukan pada temperatur yang lebih tinggi sehingga waktu proses menjadi lebih singkat.

C   Karburisasi Cair

Media cair yang digunakan adalah berbentuk garam yang mengandung karbon. Penggunaan media cair dalam proses ini memiliki beberapa keuntungan baik dari aspek kualitatif maupun ekonomi. Cara ini sangat cocok diterapkan pada benda kerja yang relatif kecil. Pemanasannya berlangsung homogen dan selama proses karburisasi berlangsung, oksidasi dan dekarburisasi dapat dicegah.

Jenis garam yang digunakan umumnya adalah yang banyak mengandung NaCN atau KCN. Garam ini kemudian dicampur dengan bahan activator seperti NaCl, BaCl, KCl, atau Na₂CO₃. Penambahan activator ini berfungsi sebagai pemercepat reaksi pada proses pengkarburisasian.

Dalam praktek, garam NaCN lebih umum digunakan dibandingkan dengan KCN karena berbagai alasan sebagai berikut :

·         NaCN lebih murah.

·     Mengandung banyak karbon, hal ini mengakibatkan untuk temperatur dan waktu proses yang sama NaCN memberikan lapisan yang lebih tebal.

·         Titik cair NaCN relatif rendah, NaCN mencair mulai suhu 500^oC.

Untuk waktu dan temperatur proses karburisasi sama, penetrasi karbon pada proses karburisasi dengan menggunakan media zat cair lebih besar dibandingkan menggunakan zat padat. Kadar NaCN yang diizinkan untuk proses ini berkisar antara 25% sampai dengan 50%. Komposisi campuran garam sangat berpengaruh terhadap sifat permukaan yang akan diperoleh. Oleh karena itu perlu penelaahan yang teliti sebelum memilih garam yang akan digunakan untuk proses karburisasi.