Apa itu Nitriding?

Dasar Nitridasi

Nitridasi adalah proses perlakuan panas yang mendifusikan nitrogen ke permukaan logam untuk menciptakan permukaan yang mengeras. Nitrogen yang ditambahkan meningkatkan kekerasan dan ketahanan aus tanpa mempengaruhi sifat metalurgi inti secara signifikan. Selama nitridasi, logam dipanaskan hingga 500-550°C dalam atmosfer kaya nitrogen. Nitrogen berdifusi ke permukaan hingga kedalaman 0.5 mm dan bereaksi dengan unsur paduan seperti aluminium, vanadium, dan kromium untuk membentuk nitrida keras. Nitrida ini meningkatkan kekerasan permukaan hingga 1300 HV, meningkatkan ketahanan aus dan korosi.

Tujuan Nitridasi

Nitridasi digunakan untuk meningkatkan sifat permukaan logam untuk beberapa tujuan utama:

Meningkatkan Kekerasan Permukaan

Tujuan utama nitridasi adalah untuk meningkatkan kekerasan permukaan logam. Nitrogen yang ditambahkan bereaksi dengan unsur paduan membentuk senyawa nitrida keras. Lapisan difusi ini meningkatkan kekerasan hingga 1300 HV, yang meningkatkan ketahanan aus dan kapasitas beban.

Meningkatkan Kekuatan Kelelahan

Kedalaman casing yang diperkeras akibat nitridasi meningkatkan kekuatan lelah komponen seperti roda gigi dan poros. Tegangan tekan yang terbentuk dalam wadah nitridasi meningkatkan ketahanan terhadap inisiasi dan perambatan retak.

Meningkatkan Ketahanan Korosi

Nitridasi meningkatkan ketahanan terhadap korosi dalam dua cara. Pertama, senyawa nitrida sangat stabil dan inert. Kedua, kedalaman lapisan yang dihasilkan oleh nitridasi memastikan bahan inti tetap tidak terpengaruh jika lapisan permukaan terkikis.

Distorsi Minimal

Berbeda dengan metode quench hardening, nitridasi tidak memerlukan pendinginan cepat pada bagian tersebut. Hasilnya, nitridasi hanya menyebabkan sedikit distorsi atau tegangan sisa, sehingga cocok untuk komponen presisi tinggi. Perubahan dimensi yang disebabkan oleh nitridasi dapat diabaikan.

Jenis Nitridasi

Ada beberapa metode utama dan variasi proses nitridasi yang digunakan dalam industri:

• Nitridasi Gas– Dalam nitridasi gas, sumber nitrogen berasal dari gas amonia yang terdisosiasi menjadi nitrogen dan hidrogen. Gas amonia lebih murah dibandingkan gas nitrogen murni. Komponen dipanaskan hingga 500-590°C dalam retort tertutup dengan aliran amonia terkontrol.
• Nitridasi plasma- Nitridasi plasma menggunakan pelepasan plasma yang dihasilkan oleh catu daya tegangan tinggi untuk menghasilkan ion nitrogen aktif. Hal ini memungkinkan difusi lebih cepat pada suhu lebih rendah yaitu 350-590°C. Nitridasi plasma menawarkan kontrol presisi terhadap kedalaman casing.
• Nitridasi Mandi Garam- Dalam nitridasi rendaman garam, sumber nitrogen berasal dari disosiasi garam sianida seperti NaCN. Bagian-bagiannya direndam dalam penangas garam sianida cair yang dijaga pada suhu 580-590°C. Nitridasi rendaman garam dapat mencapai kekerasan casing yang sangat tinggi hingga 1500 HV.
• Nitridasi Tempat Tidur Terfluidisasi- Nitridasi unggun terfluidisasi melibatkan disosiasi gas amonia dalam lapisan bubuk alumina yang difluidisasi oleh aliran gas. Metode ini memberikan keseragaman suhu yang sangat baik selama perawatan.
• Variasi Lainnya- Variasi lainnya adalah nitrokarburasi yang menambahkan karbon membentuk karbonitrida, pascaoksidasi membentuk lapisan oksida hitam, dan nitridasi suhu rendah antara 350-380°C. Proses hibrida seperti nitrokarburasi plasma juga digunakan.

Bahan Cocok untuk Nitridasi

Nitridasi dapat diterapkan pada berbagai paduan besi dan non-besi:

Baja Karbon Rendah

Baja paduan rendah dengan karbon kurang dari 0.25% biasanya dinitridasi untuk meningkatkan kekerasan permukaan dan ketahanan aus. Kandungan karbon yang rendah mengurangi pembentukan besi nitrida yang tidak stabil. Contoh populer termasuk baja 1018, 4140, dan 4340.

Baja Alat

Baja perkakas termasuk H13, P20, dan D2 ideal untuk nitridasi karena kemampuan pengerasan dan kandungan paduannya yang tinggi. Nitridasi meningkatkan kekerasan, kekuatan, dan masa pakai perkakas untuk aplikasi pekerjaan panas atau dingin.

Baja Tahan Karat

Baja tahan karat pengerasan martensit dan presipitasi seperti 410, 416, 420, dan 17-4PH dapat dinitridasi secara efektif untuk meningkatkan ketahanan aus dan korosi. Kekerasan permukaan 1000-1400 HV dapat dicapai.

Paduan Aluminium

Paduan aluminium tertentu yang mengandung silikon dan magnesium dapat dinitridasi melalui proses yang disebut nitrokarburasi. Ini mendifusikan nitrogen dan karbon secara bersamaan ke dalam paduan.

Paduan Titanium

Paduan titanium termasuk Ti-6Al-4V dapat dinitrida melalui metode plasma. Hal ini menciptakan lapisan permukaan pelindung dengan kekerasan tinggi tanpa mempengaruhi keuletan inti dan ketangguhan patah.

Paduan lainnya

Bahan lain seperti superalloy berbahan dasar nikel, baja perkakas, dan paduan kobalt juga dapat dinitridasi. Paduan besi dan non-besi dengan penambahan paduan yang cukup untuk menstabilkan nitrida dapat memperoleh manfaat.

Peralatan dan Bahan Habis Pakai untuk Nitridasi

Proses nitridasi menggunakan tungku khusus, pasokan gas, dan peralatan pemantauan suhu:

• Tungku Nitridasi
  • Tungku berbentuk kotak atau kabinet dengan retort dan insulasi kedap gas untuk nitridasi gas dan plasma hingga 1000°F (590°C).
  • Tungku penangas garam cair untuk nitridasi penangas garam sekitar 1100°F (590°C).
  • Tungku unggun terfluidisasi yang mengandung media keramik berpori untuk nitridasi unggun terfluidisasi.
• Gas nitrogen
  • Gas nitrogen dengan kemurnian tinggi sebagai sumber gas nitridasi.
  • Gas amonia yang terdisosiasi menjadi nitrogen dan hidrogen untuk nitridasi gas.
• Power Supplies
  • Catu daya DC hingga 1000V dan nilai arus lebih dari 10,000 amp untuk nitridasi plasma.
• Pemantauan suhu
  • Termokopel untuk memantau keseragaman suhu tungku.
  • Pirometer untuk mengukur suhu permukaan komponen.
• Konsumabel
  • Garam sianida untuk nitridasi rendaman garam.
  • Bubuk alumina untuk nitridasi unggun terfluidisasi.
  • Padamkan oli, larutan pembersih, perkakas, perlengkapan, dll.

Peralatan yang tepat sangat penting untuk mengendalikan atmosfer, suhu, dan durasi nitridasi guna mencapai kedalaman dan sifat kasus yang berulang.

Proses Nitridasi

Langkah-langkah kunci dalam proses nitridasi pada umumnya adalah:

1. Pembersihan
   1. Hilangkan kotoran, oli, gemuk, oksida, dan kontaminan lainnya dari permukaan komponen melalui degreasing, pembersihan basa, atau pengawetan asam.
2. pemuatan
   1. Masukkan komponen dengan hati-hati ke dalam perlengkapan atau keranjang untuk menghindari kontaminasi dan memastikan pemaparan yang tepat.
3. Pemanasan dan Penahanan
   1. Panaskan dengan laju 400-800°F/jam (220-440°C/jam) untuk mencapai suhu nitridasi.
   2. Tahan pada suhu nitridasi agar benda kerja mencapai kesetimbangan termal.
4. Nitridasi
   1. Paparkan benda kerja pada lingkungan yang kaya nitrogen pada suhu nitridasi selama waktu yang diperlukan untuk mencapai kedalaman wadah.
   2. Gas amonia terpecah menjadi nitrogen dan hidrogen. Plasma menghasilkan ion nitrogen. Garam sianida melepaskan nitrogen.
5. Quenching
   1. Pendinginan cepat seperti pada minyak untuk menjaga struktur nitridasi. Tidak diperlukan untuk beberapa proses.
6. Bongkar dan Pembersihan
   1. Bongkar benda kerja dan hilangkan sisa minyak atau garam quench dengan mencuci.
   2. Terapkan pasca perawatan seperti penggilingan atau pemolesan.

Kontrol proses yang cermat diperlukan untuk mendapatkan kedalaman kasus yang diinginkan, meminimalkan distorsi, dan memastikan pembentukan fase nitrida.

Aplikasi Industri Nitridasi

Beberapa penggunaan nitridasi industri yang umum dalam komponen mekanis meliputi:

Gears

Roda gigi baja paduan nitridasi memiliki kekerasan permukaan dan kekuatan lelah yang lebih tinggi. Digunakan pada roda gigi transmisi, roda gigi bubungan, roda gigi ring, dll.

Bearing

Nitridasi pada balapan bantalan, elemen gelinding, dan permukaan bantalan meningkatkan ketahanan aus dan daya tahan pada pembebanan siklik.

Poros engkol

Nitridasi meningkatkan kekuatan lelah pada fillet dan jurnal poros engkol. Digunakan pada mesin otomotif dan kelautan.

Pistons

Piston aluminium cor nitridasi meningkatkan ketahanan lecet dan ketahanan aus perekat pada dinding silinder.

katup

Peningkatan keausan pada katup masuk dan katup buang pada mesin pembakaran internal dengan permukaan dan batang katup nitridasi.

Alat pemotong

Alat pemotong baja kecepatan tinggi dan karbida berlapis yang diolah dengan nitridasi memiliki tingkat penghilangan logam dan masa pakai yang lebih baik.

Mati dan Jamur

Cetakan dan cetakan baja perkakas nitridasi untuk pengecoran, penempaan, dan pengecapan menunjukkan peningkatan daya tahan dan kinerja.

Penggunaan lainnya

Umum pada bejana tekan, poros, silinder, bubungan, pengencang, aktuator, dan komponen tenaga fluida.

Peningkatan kekerasan permukaan, ketahanan aus, kekuatan lelah, dan ketahanan terhadap korosi menjadikan nitridasi ideal untuk komponen mekanis penting.

Nitridasi dalam Perhiasan dan Aksesori

Meskipun kurang umum dibandingkan penggunaan industri, nitridasi memiliki beberapa aplikasi khusus dalam perhiasan dan aksesori fesyen:

Permukaan Akhir yang Ditingkatkan

Nitridasi dapat menghasilkan permukaan akhir yang halus dan seragam pada komponen logam perhiasan seperti cincin, gelang, dan kotak arloji. Hal ini mengurangi kebutuhan pemolesan sekunder.

Peningkatan Ketahanan Korosi

Lapisan nitridasi meningkatkan ketahanan korosi pada perhiasan yang terkena kelembapan seperti cincin, gelang, rantai, dan tali jam logam.

Lapisan Hitam Dekoratif

Penghitaman selektif pada permukaan yang tergores dengan nitridasi baja tahan karat atau titanium dapat memberikan pola dekoratif dan aksen pada perhiasan.

Permukaan yang Mengeras

Peningkatan ketahanan aus untuk item perhiasan dengan penggunaan tinggi seperti cincin pria dan tali jam logam melalui pengerasan permukaan.

Penghematan biaya

Pada logam tertentu, nitridasi dapat memberikan keunggulan kinerja dibandingkan pelapisan atau pelapisan PVD dengan biaya lebih rendah.

Persepsi Pelanggan

Beberapa merek mewah menggunakan nitridasi untuk mendapatkan manfaat yang dirasakan dari teknologi dan permukaan akhir.

Meskipun tidak lazim seperti di industri manufaktur, nitridasi dapat memberikan keuntungan fungsional dan estetika untuk aplikasi perhiasan tertentu. Pengendalian yang tepat diperlukan untuk menjaga penampilan logam perhiasan.

Perbandingan dengan Proses Pengerasan Permukaan Lainnya

Nitridasi berbeda dari proses pengerasan permukaan umum lainnya dalam beberapa hal:

Karburisasi

Karburasi menyebarkan karbon daripada nitrogen ke permukaan baja. Ini menciptakan kasus martensit yang lebih keras namun kurang stabil. Nitridasi memberikan ketahanan korosi yang lebih baik.

Nitrokarburasi

Nitrokarburisasi menambahkan nitrogen dan karbon secara bersamaan. Kasus karbonitrida gabungan dapat menawarkan keuntungan dibandingkan jika digunakan sendiri.

Pengerasan Induksi

Pengerasan induksi dengan cepat memanaskan dan memadamkan permukaan melalui induksi elektromagnetik. Nitriding memberikan kedalaman case yang lebih dalam dan distorsi yang lebih sedikit.

Pengerasan Api

Dengan pengerasan api, obor oxy-fuel dengan cepat memanaskan permukaan sebelum padam. Nitridasi dapat mengeraskan geometri kompleks dengan lebih efektif.

Deposisi Film Keras

Teknik pengendapan film keras seperti PVD, CVD, dan pelapis yang disemprotkan secara termal akan mengendapkan lapisan keramik tipis pada permukaan. Nitridasi mendifusikan nitrogen ke dalam logam substrat itu sendiri untuk daya rekat yang lebih baik dan ketahanan lelah. Namun, pelapis dapat memberikan manfaat tambahan seperti insulasi atau ketahanan terhadap suhu tinggi.