Boronizing

[HOMEWORK 2 – HEAT AND SURFACE TREATMENT] November 22, 2010

M.Ekaditya Albar / 0806331683

Problem:

Carburizing and boriding are two processes used for surface hardening purpose. Comparing

the hardening results from these two processes, take a look the spectrum of hardness

obtainable with selected diffusion processes of steel in Fig. 2., it can be seen that the

hardness obtained from the boriding (1800 HK) is far stronger than that of carburizing (600

HK). Explain the mechanism that could entail this phenomenon.

Explanation:

Berdasarkan gambar 2 pada slide kuliah ke-11 Heat Treatment and Surface

Engineering oleh Bapak Nofrijon, dapat dilihat bahwa metode surface hardening melalui

mekanisme boriding memiliki tingkat kekerasan yang jauh di atas carburizing.

Boriding atau Boronizing adalah proses perlakuan

permukaan secara termomekanik yang dapat digunakan secara

luas untuk logam ferrous, nonferrous dan cermet (ceramic

metal) material. Proses ini menggunakan pemanasan material

yang telah dibersihkan pada range suhu 700-1000oC selama 1

sampai 12 jam. Teknik yang dikembnagkan saat ini adalah

thermo mechanical boriding yang menggunakan teknik gas boriding seperti plasma bonding

dan fluidized bed boriding. Proses boriding yang paling sering digunakan saat ini adalah

proses CVD untuk mendeposisikan boron pada material yang diinginkan.

Gambar 1. Spectrum of Hardness by Diffusion

Gambar 2. Boriding pada

baja 1095



Selama proses boriding, akan terjadi proses difusi setelah atom boron sampai pada

permukaan logam yang dituju untuk membentuk senyawa interstisi boron (FeB atau FeB2).

Layer atau lapisan yang dihasilkan ini dapat mengandung single phase boride, maupun

polyphase boride layer. Morfologi dari proses growth dan komposisi fasa pada boride layer

dipengaruhi oleh elemen paduan yang terdapat pada base material. Microhardness dari

boride layer juga sangat bergantung pada komposisi dan struktur dari boride layer dan

komposisi base material.

Gambar 3. Pengaruh komposisi baja terhadap morfologi dan ketebalan boride layer

Lapisan boride yang terbentuk

memiliki sejumlah karakteristik dengan

beberapa keuntungan terhadap kekerasan

pada layer yang dihasilkan. Keuntungan

mendasar yaitu layer boride yang terbentuk

memiliki nilai kekerasan yang sangat tinggi

(antara 1450 - 5000 HV) dengan melting

point yang juga tinggi tergantung pada fasa

penyusunnya. Kekerasan dari boride layer

untuk carbon steel jauh lebih tinggi bila

dibandingkan dengan surface (hardening)

treatment yang konvensional.

Tabel 1. Perbandingan nilai kekerasan teknik

boriding dengan teknik dan material lain



Prinsip dari mekanisme penguatan metode boriding adalah melalui konsep

konfigurasi elektron dari atom yang stabil pada fasa solid. Pada baja, efek komposisi karbon

akan mempengaruhi kedalaman (depth) dan kekerasan dari lapisan boride seperti pada

gambar di bawah ini:

Gambar 4. Pengaruh kadar karbon terhadap kedalaman dan kekerasan dari boride layer

Berdasarkan percobaan terhadap sifat physicochemical dari fasa boride, ternyata

konfigurasi elektron dari atom boron dan metal base memiliki peranan yang penting.

Elektron valensi selama proses pembentukan kristal akan terlokalisasi pada core atom dan

terkumpul secara parsial. Elektron yang berkumpul tersebut akan membentuk konfigurasi

yang stabil yang bergantung pada physicochemical properties. Oleh karena itu, boron yang

pada awalnya memiliki konfigurasi 2s22p1 akan mengalami transisi pada keadaan kondensasi

menjadi sp2 yang lebih stabil, lalu menjadi konfigurasi sp3. Sedangkan atom Fe (3d64s2)

selama pembentukan kristal cenderung membentuk konfigurasi d5 yang lebih stabil sebagai

hasil donor elektron.

Selama proses pembentukan lapisan boride, atom boron cenderung untuk

membentuk konfigurasi spx yang maksimum, yaitu dengan pembentukan sp3. Atom Fe akan

memberikan elektron yang dimiliki ke boron sehingga atom Fe akan membentuk konfigurasi

d5. Asumsikan bahwa kekerasan ditentukan oleh stabilitas dan konsentrasi konfigurasi

elektron dari atom logam dan non-logam yang tinggi, maka dapat dijelaskan bahwa

kekerasan yang tinggi dari fasa yang dihasilkan disebabkan oleh statistical proportion yang

tinggi dari konfigurasi sp3 pada boron saat kristalisasi.

Pada kasus baja karbon, kehadiran atom karbon dengan konfigurasi elektron s3p3

akan meningkatkan statistical proportion dari konfigurasi sp3. Atom karbon dengan



konfigurasi sp3 memiliki kemungkinan untuk rusak, karena pada percobaan telah dibuktikan

bahwa muatan karbon pada solid solution dengan Fe memiliki muatan sebesar 3.8, bukan

lagi 4. Hal ini menunjukkan bahwa konfigurasi sp3 bisa rusak (damaged). Elektron tersebut

kemungkinan diambil oleh Fe untuk membentuk konfigurasi d10 yang kurang stabil.

Jika membandingkan stabilitas dari sistem Fe-C dibandingkan dengan sistem Fe-B,

senyawa pada sistem Fe-C memiliki statistical proportion sp3 dalam membentuk Fe3C yang

memiliki konsentrasi atom karbon yang lebih rendah dibandingkan konsentrasi boron pada

senyawa Fe2B pada sistem Fe-B.

Kombinasi dari kekerasan permukaan yang tinggi dan koefisien friksi yang rendah

pada boride layer menjadikan material ini memiliki ketahanan yang tinggi terhadap

mekanisme aus, seperti: adhesion, tribooxidation, abrasion, dan surface fatigue.

Gambar 5. Komponen-komponen yang menggunakan boronizing sebagai surface treatment

(dari kiri ke kanan, impeller gears, trimming wheel, pipe fittings)

Keuntungan lain dari proses boriding adalah:

Kekerasan dari lapisan boride dapat diperoleh pada suhu yang lebih tinggi dibanding

pada proses nitride.

Dapat digunakan pada baja secara luas dan compatible terhadap proses.

Dapat meningkatkan ketahanan korosi erosi pada ferrous material pada non-

oxidizing dilute acid dan media alkali.

Memiliki ketahanan oksidasi yang moderate (lebih dari 850oC) dan cukup resist

terhadap serangan molten metals.

Memiliki ketahanan fatigue dan service performance yang baik pada lingkungan

korosif dalam pengaruh oxidizing.



Referensi:

ASM Handbook Volume 4, Heat Treating

Cermet Materials and Components, Boronizing Steel, V.P. Glukhof,

http://www.springerlink.com/content/x6v370816731762g/

http://www.richterprecision.com/boronizing.html

http://www.springerlink.com/content/x6v370816731762g/

http://www.richterprecision.com/boronizing.html

Boronizing

Documents

Transcript of Boronizing