Teori Difusi dalam Atom Mekanisme Pack Cementation

untuk membentuk lapisan, dan sifat dari bahan yang membentuk lapisan bubuk, batang, kawat, atau cairan. Pelapis termal dengan penyemprotan cenderung berpori, meskipun porositas dapat dikontrol dengan mengoptimalkan proses variabel. Lapisan ini dapat dibuat patuh pada hampir semua bagian dengan ketebalan yang diinginkan dan lapisan ini dapat diterapkan pada struktur yang sudah dibuat. Terkadang, pori-pori diisi dengan resin termoplastik untuk meningkatkan perlindungan korosi. 11

2.1.4 Pelapisan Dengan

Pack-Cementation Cementation terdiri dari pengerjaan pengadukan dalam campuran serbuk logam dan sebuah fluks pada temperatur tinggi yang memungkinkan logam untuk berdifusi kedalam logam dasar. 11 Pelapisan dengan metode pack cementation akan menghasilkan lapisan yang lebih kuat dibanding dengan metode electroplating. Pada metode electroplating, hanya akan terjadi ikatan adhesi antar permukaan substrat dengan logam pelapisnya, sehingga lapisan yang menempel pada substrat tidak terlalu kuat. Sedangkan pada metode pack cementation, akan terjadi proses difusi atom milik logam pelapis menuju substrat. Sehingga pelapisan permukaan yang terjadi akan sangat kuat bahkan akan terjadi proses alloying perpaduan antara logam dasarsubstrat dengan logam pelapis. Proses pack chromizing pada prinsipnya sama dengan proses cementation. Pada proses ini bahan baja yang akan dilapisi dibungkus dalam bubuk yang mengandung Kromium Cr 2 O 3 dan bahan garam halida seperti NH 4 CL, NH 4 Br dan NH 4 I. Penambahan amonium klorida dimaksudkan untuk membentuk gas aktif Actifator yang membantu mempercepat proses difusi atom-atom Cr ke dalam substrat. 12

2.1.4.1 Teori Difusi dalam Atom

Difusi adalah proses berpindahnya atom-atom yang terdapat dalam suatu material. Proses ini dapat terjadi dalam keadaaan gas, cair dan padat sehingga dapat terjadi pada baja dan sistem logam lainnya. Proses difusi dalam logam umumnya atom-atom yang berdifusi berbentuk sebagai atom tunggal bukan dalam bentuk molekul. Hal ini disebabkan mobilitas jauh lebih tinggi dari malekul. Penyebab difusi dalam atom secara sederhana adalah bahwa atom-atom dalam benda padat selalu melompat dari satu posisi dalam suatu struktur kristal ke posisi terdekatnya. Selama proses ini berlangsung, akan selalu diperlukan adanya gradien konsentrasi antara lokasi yang satu dengan yang lainnya dan juga temperatur. Mekanisme perpindahan massa berlangsung dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah. Pergerakan ini akan sangat bergantung pada energi penggerak yang dimiliki oleh atom-atom dan awal proses. Sedangkan temperatur akan mempercepat proses perpindahan atom-atom tersebut.

2.1.4.2 Mekanisme Pack Cementation

Dalam proses pedifusian atom-atom logam, ada tiga mekanisme perpindahan dan posisi logam yang mungkin terjadi, yakni: 1. Mekanisme Kekosongan 2. Mekanisme Interstisi 3. Mekanisme Tukar Tempat subtitusi Gambar 2.2. Mekanisme difusi yang mungkin terjadi di dalam logam, a kekosongan, b interstisi, c tukar tempat Tungku pembakar furnace yang digunakan dilengkapi dengan atmosfir protektif argon. Temperatur furnace dinaikkan hingga mencapai temperatur pelapisan, yaitu temperatur dimana material pelapis akan bereaksi dengan garam untuk membentuk uap halida metalik. Uap inilah yang akan mengenai permukaan substrat hingga akhirnya terbentuk proses pelapisan. Aplikasi metode pack cementation untuk melapiskan kromium pada suatu substrat disebut pack chromizing Gambar 2.3. Pada proses ini, substrat dimasukkan dalam campuran serbuk aluminium, Al 2 O 3 , dan garam halida ammonium klorida, NH 4 Cl sebagai aktivator. Temperatur yang sesuai akan menyebabkan Cr bereaksi dengan NH 4 Cl untuk membentuk senyawa gas. Gas ini merupakan medium transfer yang membawa Cr pada permukaan substrat. Gambar 2.3 Ilustrasi proses Pack-Cementation untuk mendifusikan. Cr pada suatu substrat Selanjutnya, gas akan terurai pada permukaan substrat tempat Cr terdeposit dan membebaskan aktivator halogen. Aktivator halogen kemudian kembali menuju pack dan bereaksi lagi dengan Cr. Dengan demikian, proses transfer terus berlangsung hingga semua kromium dalam pack terpakai atau hingga proses tersebut dihentikan melalui proses pendinginan. Proses tersebut berlangsung pada temperatur 700 hingga 1100 ° C selama beberapa jam. Berikut adalah reaksi-reaksi yang berlangsung selama proses pack chromizing hingga terbentuk lapisan kromium. Proses reaksi ini terjadi dalam wadah crucible tertutup dan berlangsung terus seiring dengan jalannya pemanasan dan adanya ketersediaan krom. 1. Reaksi penguraian NH 4 Cl NH 4 Cl s → NH 3g + HCl g 2. Reaksi pembentukan garam kromium 6HCl g + 2Cr pack → 2CrCl 3g + 3H 2g CrCl 3 + 2Cr pack → 3CrCl 3 3. Reaksi peresapan kromium pada permukaan substrat baja a. Displacement reaction 2CrCl 3g + 3Fe substrat → 2CrFe alloy + FeCl 2g b. Displacement reaction 3FeCl 2g + 5Cr pack → 3CrFe alloy + 2CrCl 3g c. Disproportional reaction 3CrCl g + 2Fe substrat → 2CrFe alloy + CrCl 3g d. Discomposition reaction 2CrCl g + 2Fe substrat → 2CrFe alloy + Cl 2g e. Reduction reaction 2CrCl g + H 2gsubstrat → 2CrFe alloy + 2HCl g Bila unsur kromium ditambahkan pada baja karbon, maka atom karbon dan atom besi berkoordinasi dengan atom kromium sehingga kadar karbon eutektoid dan temperatur eutektoid berubah. Kromium menaikkan temperatur eutektoid karena kromium berbentuk BCC body centered cubic, sehingga merupakan penstabil ferit dalam baja. Kromium dalam baja akan larut dalam bentuk tukar tempat subtitusion, selain itu juga akan membentuk karbida krom. Cr yang berdisfusi yaitu CrFe sebagai logam paduan. Kemampuan chromizing adalah kemampuan baja menyerap kromium. Faktor-faktor utama yang mempengaruhi chromizing adalah komposisi baja karbon, waktu chromizing, aktivitas kromium, temperatur dan struktur mikro. a Komposisi baja karbon Karbon mempunyai daya ikat yang besar dengan kromium untuk membentuk karbida. Sebaliknya pada baja karbon rendah ketebalan lapisan kromium akan lebih tipis. Diagram keseimbangan untuk besi – karbon – kromium sangat komplek karena kromium membentuk karbida. Salah satu karbidanya adalah Cr 3 C yang mirip dengan Fe 3 C, tetapi dengan adanya besi dapat menghasilkan Fe 2 CrC atau Cr 2 FeC dan ditulis Fe,Cr 3 C. Karbida lain yang lebih komplek yaitu Fe,Cr 7 C 3 yang sangat besar pengaruhnya membatasi daya larut kromium dalam Fe austenite. b Kedalaman Difusi Untuk pemanasan pada suhu konstan , maka semakin lama waktu proses chromizing akan semakin tebal lapisannya dan kedalaman difusi semakin besar. c Aktivitas Kromium Aktivitas kromium adalah salah satu faktor utama yang memerlukan pengontrolan selama chromizing. Sedangkan sesuai dengan hukum difusi yang berlaku, derajat penetrasi logam ditentukan oleh temperatur dan kadar kromium yang bertambah pada lapisan luar baja. Dalam pack chromising, aktivitas kromium dapat dikontrol oleh zat aktivator yaitu kadar NH 4 Cl yang dipertahankan pada sekitar 2-5 . Dari reaksi-reaksi kimia yang terjadi selama proses chromizing dapat diketahui bahwa bila kadar NH 4 CL berkurang akan mengurangi aktivitas chromium karena gas HCl yang mengikat Cr menjadi CrCl 2 akan berkurang pula. Suatu aktivitas kromium yang tinggi dapat dicapai dengan menaikkan temperatur, sehingga penguraian NH 4 Cl akan tinggi. Pemanasan dengan volume konstan pada ruangan tertutup akan meningkatkan tekanan dalam ruang yang diakibatkan aktivitas kromium akan meningkat pula. d Koefisien Difusi Temperatur chromizing mempunyai efek kedalaman chromizing. Temperatur chromizing yang lebih rendah menurunkan kemampuan difusi kromium. Akibat naiknya temperatur menyebabkan kedalaman lapisan kromium bertambah. Dimana kedalaman difusi akan ditentukan oleh koefisien difusi dan lamanya proses difusi. e. Temperatur Temperatur proses akan memberikan pengaruh terhadap koefisien difusi. Dengan meningkatnya temperatur pemanasan akan mingkatkan pula koefisien difusi sehingga akan memberikan efek kedalaman difusi dari atom-atom Cr. Ketebalan lapisan maupun dalamnya atom yang berdifusi akan sangat ditentukan oleh temperatur, oleh karena itu pengaruh temperatur digunakan sebagai variabel dalam penelitian ini. Temperatur chromizing yang lebih rendah menurunkan kedalaman chromizing, karena temperatur mempengaruhi kecepatan difusi. 12 2.2 Baja 2.2.1 Pengertian Baja Baja pada dasarnya adalah paduan murni dari besi dan karbon dengan konsentrasi karbon yang lebih rendah. Umumnya berkisar antara 0,01 sampai 1,7, tetapi bisa juga sampai dengan 2 . Kandungan karbon yang menyeluruh akan membuat baja ini menjadi lembut dan tidak dapat digunakan untuk sebagian besar tujuan. Karena itu, pembuatan baja tidak lain adalah penghapusan karbon yang terkandung dalam besi dengan pembakaran. Hasilnya struktur dari logam menjadi lebih tangguh, lebih fleksibel, kuat dan lebih baik untuk diterapkan pada besi. Selain karbon, belerang dan fosfor juga terhapus oleh oksidasi. Sedikit mangan dan silikon ditambahkan untuk meningkatkan sifat mekanik baja jika terlalu banyak ditambahkan, akan membentuk baja paduan. Beberapa bijih besi juga ditambahkan untuk menyediakan oksigen sebagai bahan bakar pemanasan dan pengontrol impuritas yang akan dihapus dalam bentuk kerak. 3

2.2.2 Klasifikasi dan Sifat Baja

Berdasarkan persentase karbon dan unsur-unsur paduan, logam besi dapat diklasifikasikan menjadi beberapa kelompok yakni: a Baja Karbon Rendah Persentase karbon dalam material ini berkisar dari 0,15 sampai 0,25. Material ini cukup kuat dan memilki kemampuan las yang baik. Biaya produksi materi-materi ini juga rendah. Jenis baja yang banyak dijual dipasaran baja komersial umumnya adalah jenis baja karbon rendah.