Karburisasi dan Pengerasan Kulit: Dasar-Dasarnya

Idenya

Beberapa komponen memerlukan dua sifat yang bertentangan: permukaan yang menahan keausan dan kelelahan kontak, serta inti yang menyerap kejutan tanpa retak. Karburisasi memberikan keduanya dari satu potong baja karbon rendah. Komponen ditahan pada kira-kira 880–950 °C dalam atmosfer kaya karbon; karbon berdifusi ke permukaan, dan celup selanjutnya hanya mengeraskan lapisan yang diperkaya tersebut — kulit (case) — sementara inti (core) karbon rendah tetap relatif lunak dan tangguh.

Kedalaman kulit

Kedalaman kulit ditentukan sebagai kedalaman di mana kekerasan turun ke tingkat yang ditentukan — umumnya 550 HV dalam praktik Eropa (CHD, kedalaman pengerasan kulit). Dua kedalaman penting:

• Kedalaman kulit efektif (hingga 550 HV): biasanya sekitar 0.3–2.5 mm untuk roda gigi dan poros, disesuaikan dengan tegangan kontak dan modul roda gigi.
• Kedalaman kulit total: zona difusi penuh, selalu lebih dalam daripada kedalaman efektif.

Kulit yang lebih dalam memerlukan waktu tungku yang jauh lebih lama secara tidak proporsional, karena kedalaman difusi tumbuh dengan akar kuadrat waktu — menggandakan kedalaman membutuhkan waktu kira-kira empat kali lebih lama.

Potensi karbon

Atmosfer tungku dikontrol hingga suatu potensi karbon — kadar karbon permukaan yang akan dihasilkan atmosfer dalam besi murni pada suhu tersebut. Potensi ini biasanya dijalankan agak di bawah atau mendekati wilayah eutektoid hingga saturasi, sering kali sekitar 0.8–1.0% C di permukaan pada tahap boost. Potensi yang terlalu tinggi membentuk jelaga, jaringan karbida, dan austenit sisa berlebih; terlalu rendah menghasilkan kulit yang dangkal dan lunak. Siklus produksi sering menggunakan pola boost–diffuse: potensi tinggi untuk mendorong karbon masuk dengan cepat, kemudian tahap potensi lebih rendah untuk menetapkan karbon permukaan akhir dan gradiennya.

Inti versus kulit setelah pengerasan celup

Setelah karburisasi, komponen dicelup (secara langsung, atau setelah pemanasan ulang untuk penghalusan butir) dan ditemper pada suhu rendah, kira-kira 150–200 °C. Kulit karbon tinggi bertransformasi menjadi martensit keras, biasanya sekitar 58–62 HRC di permukaan. Inti — masih hanya sekitar 0.15–0.25% karbon — mengeras hanya sejauh kemampuan pengerasannya mengizinkan, tetap jauh lebih lunak dan memberikan ketangguhan yang menjadi dasar perancangan komponen.

Baja yang dirancang untuk karburisasi

Baja pengerasan kulit dirancang rendah karbon, dipadukan untuk kekuatan inti dan kemampuan pengerasan:

• 8620 (AISI): baja roda gigi serbaguna Amerika Utara, inti Ni-Cr-Mo.
• 20CrMnTi (GB): baja roda gigi standar Tiongkok; titanium mengikat butir selama siklus karburisasi yang lama.
• 16MnCr5 (EN 1.7131): andalan Eropa untuk roda gigi kecil dan menengah.
• Varian tugas lebih tinggi menambahkan nikel (mis. 18CrNiMo7-6) di mana kekuatan inti pada penampang besar sangat kritis.

Menentukan komponen karburisasi berarti menentukan kedalaman kulit, kekerasan permukaan, dan kekerasan inti bersama-sama — salah satu saja adalah persyaratan yang tidak lengkap.

Varian gas, pack, dan tekanan rendah

Karburisasi pack tradisional dalam senyawa karbon padat kini sebagian besar bersifat historis. Produksi modern menggunakan karburisasi gas dalam tungku atmosfer, di mana potensi karbon diukur dan dikontrol secara terus-menerus, atau karburisasi tekanan rendah (vakum), di mana pulsa gas hidrokarbon dalam tungku vakum memberikan kulit yang sangat seragam pada geometri roda gigi kompleks tanpa oksidasi permukaan — biasanya diikuti oleh pengerasan celup gas bertekanan tinggi. Metalurgi yang ditentukan perancang sama dalam ketiganya; yang berubah adalah keseragaman, kebersihan, ekonomi siklus, dan perilaku distorsi yang harus diserap oleh penyelesaian roda gigi.