Analisis Pertumbuhan Kinetik Lapisan Besi Borida pada Baja St37 dalam Proses Boronisasi Serbuk

Transkripsi

1 Prosiding Semirata FMIPA Universitas Lampung, 03 Analisis Pertumbuhan Kinetik Lapisan esi orida pada aja St37 dalam Proses oronisasi Serbuk Sutrisno Jurusan Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Islam Negeri Syarif Hidayatullah Jakarta Jl. Ir. H Juanda 95, Ciputat, Tangerang, anten sut_uin@yahoo.com Abstrak.Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis pertumbuhan kinetik lapisan besi boride ( dan Fe ) 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, serta fasa lapisan zona difusi. Perlakuan termokimia dilakukan pada temperatur yang bervariasi dari 600, 700, 800, 900, dan C dengan waktu penahanan pada masing-masing temperatur selama, 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: oronisasi, Pertumbuhan Kinetik, Lapisan esi orida, Difusi oron. PENDAHULUAN oronisasi merupakan teknik pengerasan permukaan termokimia melalui proses pemanasan pada permukaan dimana atom boron menyebar ke permukaan sampel dasar dengan temperatur antara 600 dan C. Teknik tersebut dapat dilakukan dengan berbagai cara, seperti melalui media gas, cair, dan padat(serbuk). oronisasi dapat menghasilkan lapisan yang memiliki kekerasan tinggi []. Lapisan permukaan tersebut dimodifikasi menjadi fase dan yang dapat dihasilkan dari proses boronisasi. oronisasi 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 []. Meskipun proses boronisasi penting dalam bidang industri, tetapi masih sedikit literatur tentang pemodelan kinetika pertumbuhan lapisan. Sebagai contoh, dapat dikutip model rakman untuk boronisasi serbuk,dan model Campos dan Keddam pada proses boronisasi pasta []. Model rakman fokus pada perbedaan volume spesifik antara fase dan [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 (/ ) dalam baja St37 untuk temperatur 600 dan C variabel waktu. Semirata 03 FMIPA Unila 75

2 Suwarsono: Optimalisasi Potensi Lokal Desa Rawan ahaya Tsunami dalam Rangka Mitigasi Menuju Terwujudnya Desa Siaga encana Mandiri di Pesisir Provinsi engkulu MODEL MATEMATIKA Analisis model matematika didasarkan pada kasus pelarut A jenuh dengan zat terlarut. Potensial kimia pada kondisi sekitarnya dibuat sedemikian rupa sehingga mampu membentuk satu atau lebih fase pada permukaan sampel St37. Pada tahap kesetimbangan komponen A dan terbentuk fase, dan zona difusi.. Profil konsentrasi pertumbuhan dua atau lebih dengan fase linear (Gambar ), 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 s C ( x, x s ( ) u u < x < v ; CFe Fe C ( x, ( x u) ( ) v u v < x < w ; CDZ Fe ( x, ( x v Fe ( 3 ) w v C3 ) dimana : u = k t ; v = k t ; w = k 3 t ( 4 ) C (x, adalah konsentrasi sebagai fungsi dari x dan t, C (x, konsentrasi boron antara permukaan dan lapisan pertama, C (x, konsentrasi boron antara antarmuka pertama dan kedua, C 3 (x, konsentrasi boron pada zona difusi, konsentrasi CDZ di zona difusi, konsentrasi C pada antarmuka, konsentrasi C pada antarmuka, dan konsentrasi permukaan Cs. Selain itu, variabel t adalah waktu pemanasan, k pertumbuhan parabola konstan antarmuka, k Gambar. Profil konsentrasi boron untuk tiga tahap. pertumbuhan parabola konstan antarmuka, k3 pertumbuhan parabola konstan zona difusi, u fungsi pertumbuhan parabola pada antarmuka, v fungsi pertumbuhan parabola pada antar muka, 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, lapisan, dan zona difusi pada antarmuka antara permukaan /, /, dan zona /zona difusi dapat ditulis menjadi: du dc dc ( ) D D (5) s ( dv dc C ) Fe DFe D DZ dc3 (6) ( dw dc C ) DZ Fe DDZ (7) Dimana D adalah koefisien difusi pelarut atas zat terlarutt, D 0 faktor pra-eksponensial (m sec-), koefisien difusi D DZ boron di zona difusi, koefisien difusi D boron pada antarmuka, dan koefisien difusi D Fe boron pada antarmuka. Dengan asumsi bahwa kondisi antarmuka mengikuti hukum pertumbuhan parabola dan dengan menggunakan fungsi konsentrasi (), (), dan (3) persamaan simultan berikut dapat diperoleh: ( C ) k D S ( C k S D Fe ( C k Fe k ) (8) 76 Semirata 03 FMIPA Unila

3 Prosiding Semirata FMIPA Universitas Lampung, 03 ( C ) ( C ) Fe DZ Fe ( C ) k D D Fe Fe DZ k k k k 3 (9) ( C ) k D DZ Fe 3 DZ ( C ) DZ Fe k k 3 (0) 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: 0.7wt% C, 0.30wt% Si, 0,0-0.50wt% Mn, 0.050wt% P dan S 0.05wt%,. Setelah itu, sampel ditutup serbuk boronisasi yang terdiri dari 5wt%4C, 5wt% KF4, dan 90 wt % SiC. Suhu yang digunakan dalam pemanasan adalah C sampai C dengan waktu pemanasan adalah, 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 [0]. Dilakukan pengukuran ketebalan pada lapisan borida dan 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. Penampang lapisan borida,, dan zona difusi pada permukaan baja St37 pada pemanasan 0000C selama 8 jam. a b HASIL DAN PEMAHASAN Morfologi dan pertumbuhan fase borida pada baja St37 dengan waktu pemanasan, 4, 6, dan 8 jam dengan temperatur 600 sampai C ditunjukkan pada Gambar. Gambar menunjukkan lapisan dan yang memiliki ketebalan sekitar 75 m dan 0 m c Gambar 3. Kinetika pertumbuhan lapisan boride besi dan zona difusi untuk baja St37: a) lapisan, b) lapisan, dan c) lapisan zona difusia Semirata 03 FMIPA Unila 77

4 Suwarsono: Optimalisasi Potensi Lokal Desa Rawan ahaya Tsunami dalam Rangka Mitigasi Menuju Terwujudnya Desa Siaga encana Mandiri di Pesisir Provinsi engkulu 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 []. 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,, dan zona difusi mencapai nilai maksimal pada C dan waktu pemanasan 8 jam. Pertumbuhan parabola konstan k, k, dan k3 untuk fase feb,, dan zona difusi masing-masing dapat diperoleh dari kemiringan kurva pada gambar 3. erdasarkan konstanta pertumbuhan parabola dan persamaan 8), 9), 0) secara bersamaan dapat dihitung koefisien difusi lapisan,, dan zona difusi. Untuk lebih jelasnya, hasil numerik dari konstanta pertumbuhan parabola dan koefisien difusi dapat dilihat pada tabel. Tabel : Konstanta pertumbuhan parabola dan koefisien difusi St37 boride besi layer Parabolic growth constant (k) Diffusion coefficient (D) x 0-5 m /sec 0,03 x 0 - m /sec Fe 0.07 x 0-5 m /sec x 0 - m /sec Zona Difusi 0.04 x 0-5 m /sec x 0 - m /sec KESIMPULAN Pertumbuhan lapisan besi borida, dan zona difusi dipengaruhi oleh temperatur dan waktu pemanasan. Model matematik yang diusulkan dapat digunakan untuk menentukan koefisien difusi lapisan besi borida,, 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, Fe, and diffusion zone in AISI 045 and M steel. M. Kedam, SM Chentouf, A diffusion model for describing the bilayer growth /Fe during the iron powder pack boriding ejar, E Moreno, Abrasive wear resistance of boronized carbon and low alloy steel. Jurnal of material Processing Tecknologi, 006, Dybkov, (007), Grout of boride layer on the 3% cr steel surveys in a mixture of amorphous boron and KF 4, J. Mater Sci, 4, M. Keddam, Computer simulation of monolayer growth kinetics of Fe phase during the paste-boriding process: Influence of the paste thickness, Applied Surface Science 53 (006), Walter Fichtl, oronizing and its Practical Applications, Material in Engineering, Vol., December 98, hal Walter Fichtl, Gunter Wiebke, Helmut Kunst, oriding Composition, United States Patent No.US 3, 936,37, Februari Semirata 03 FMIPA Unila

5 Prosiding Semirata FMIPA Universitas Lampung, 03 Ulrich audis, Stefan Wigger, oriding Agent, United States Patent No.US 6,45,6 Juni, 00 RD. Ramdan, T. Tomohiro, T. Yoshihiro, Phase-field Simulation for the growth of oride (Fe ) phase from Austenite phase, XXII ICTAM, 5-9 August 008, Adelaide, Australia J. Setiawan, Analisis Lapisan esi orida pada ST37 dan S45C yang Diboronisasi dengan Teknik Powder Pack, Universitas Indonesia, 00 Semirata 03 FMIPA Unila 79