1. SIMETRI, Jurnal Ilmu Fisika Indonesia Volume 1 Nomor 1(B) Mei 2012
Pengerasan Permukaan Baja Karbon Rendah ST37
dengan Metode Boronisasi
Sutrisno1 dan Bambang Soegijono2
1
Program Studi Fisika, UIN Syarif Hidayatullah Jakarta, Indonesia; e-mail: suwoto@batan.go.id
2
Pusat Riset Ilmu Material, Universitas Indonesia, Jakarta, Indonesia
Intisari: Sifat mekanik seperti kekerasan mikro dari lapisan borida yang terbentuk pada baja karbon rendah St37
melalui proses boronisasi telah diselidiki. Proses ini dilakukan dalam medium padat terdiri dari serbuk B4C 50% sebagai
donor, SiC 45% sebagai pengencer, dan 5% KBF4 sebagai aktivator pada suhu 1000◦ C selama 8 jam. Fase yang terbentuk
pada sampel baja adalah lapisan Fe2B dan FeB yang memiliki morfologi bentuk yang halus dan datar. Kekerasan mikro
lapisan besi borida yang terjadi adalah 700 HV, hampir enam kali lipat kekerasan semula yang besarnya 123,82 HV.
Lapisan besi borida terbentuk pada kedalaman 20 sampai 60 µm, yang mengarah ke proses difusi yang terkendali.
Kata kunci: boronisasi, lapisan besi borida, baja St37 , kekerasan mikro
Abstract: The property such as microhardness of boride layer formed on ST37 iron was investigated. Boronizing was
carried out in a solid medium consisting of nano size powders of 50% B4C as a donor, 45% SiC as a diluent, and 5%
KBF4 as an activator treated at the temperature of 1000◦ C for 8 hours. The phases that were formed on the substrate
was found as Fe2B and FeB layer that had smooth and flate shape morphology. The hardness of boride layer on ST37
was over 700 HV, while the hardness of untreated ST37 iron was about 123,82 HV. Depending on process time and
temperature, the depth of boride layer ranges from 20 to 60 µm, leading to a diffusion controlled process.
Keywords: boronizing, borides, ST37 iron, microhardness
Received : 15 Maret 2012; Accepted : 10 April 2012
1 PENDAHULUAN asanya bergantung pada suhu proses, komposisi kimia
dari bahan logam, potensi boron medium dan waktu
B oronisasi Fe2B,yang dapatdapat atau keduanya
lapisan
termokimia
FeB tunggal,
menghasilkani boronisasi. Fase tunggal Fe2B atau dua fase intermet-
alik dari FeB dan Fe2B diperoleh dengan atom boron
secara bersamaan digunakan terutama menyebar ke permukaan bahan logam [4,5] .
untuk meningkatkan kekerasan permukaan dan ke- Secara umum, pembentukan fase tunggal Fe2B de-
tahanan aus [1] . Boronisasi merupakan proses difusi ngan bentuk morfologi seperti gigi gergaji lebih di-
termokimia yang dapat diterapkan untuk berbagai inginkan dari pada lapisan dua fase FeB dan Fe2B un-
macam bahan termasuk logam besi, logam non- besi tuk aplikasi industri [6] . Melalui pengendalian parame-
dan beberapa paduan super. ter proses boronisasi, komposisi serbuk, dan waktu pe-
Boronisasi permukaan baja dapat mengurangi be- manasan, fase Fe2B dapat secara konsisten dicapai se-
sarnya kecepatan korosi dan untuk meningkatkan kek- lama boronisasi . Lapisan Fe2B tunggal menghasilkan
erasan permukaan. Perlakuan difusi termal senyawa ketahanan aus yang unggul dan sifat mekanik yang
boron digunakan untuk membentuk borida besi dan tinggi [7] .
biasanya membutuhkan suhu proses antara 700 dan Ada dua karakteristik lapisan besi boride, yaitu : (i)
1000◦ C. Proses ini dapat dilakukan dalam medium kekerasan tinggi yang diharapkan dapat memberikan
padat, medium cair atau gas. Metode yang paling ketahanan aus yang tinggi, dan (ii) morfologi kolum-
sering digunakan adalah boronisasi serbuk yang mirip nar yang diperlukan untuk adhesi yang baik antara
dengan proses karburasi [2] . lapisan borida dan sampel baja. Baja boronisasi me-
Difusi boron ke permukaan paduan logam yang nunjukkan kekerasan jauh lebih tinggi (HVN 1600-
dipilih menciptakan zona reaksi padat dari borida 2000) dari baja carburisasi atau nitridasi (HVN 650-
logam. Efek ini menghasilkan sifat permukaan yang 900) [5] .
lebih keras [3] . Difusi boron ke dalam baja memben- Secara khusus, baja boronisasi menunjukkan keta-
tuk borida besi FeB dan Fe2B, dan ketebalan lapisan hanan yang sangat baik untuk berbagai mekanisme
boride ditentukan oleh suhu dan lama pemanasan. Bi- keausan. Secara umum, campuran boronisasi komer-
c 2012 SIMETRI 1106-26

2. Sutrisno & Soegijono/Pengerasan Permukaan Baja . . . SIMETRI Vol.1 No.1(B) Mei’12
sial mengandung B4C sebagai donor, KBF4 sebagai
penggerak dan SiC sebagai pengencer yang mengen-
dalikan potensi boronisasi dari media [8] .
2 PROSEDUR EKSPERIMEN
Sampel dasar yang digunakan untuk penelitian ini
adalah baja karbon rendah St37 dengan komposisi
kimia: 0,17% C ; 0,30% Si ; 0,20 - 0.50% Mn, P dan
S masing-masing 0.05% dan 0.05% [6] . Pengujian di-
lakukan pada potongan baja berbentuk silinder berdi-
mensi 11 mm dan 12 mm. Sebelum boronisasi, semua
sampel dipoles menggunakan kertas poles halus un-
tuk mendapatkan permukaan akhir yang baik. Kek-
erasan Vickers dari besi yang tidak diboronisasi adalah
123.82HV [6] .
Perlakuan panas dalam boronisasi dilakukan dengan
menggunakan metode serbuk yang berdiameter ku-
rang dari 1 m. Campuran serbuk ini terdiri dari B4C
50%, 5% KBF4 dan SiC 45% yang mengendalikan Gambar 2: Morfologi lapisan besi borida hasil difusi
potensi medium boronisasi. Sampel yang akan diboro- yang membentuk lapisan lebih keras (warna putih) diband-
nisasi dikemas dalam serbuk campuran dan ditekan ingkan lapisan dibawahnya
dengan kekuatan 5 ton. Percobaan boronisasi di-
lakukan dalam pemanas hambatan listrik dalam kon-
disi vakum pada suhu 1000◦ C selama 8 jam dan
didinginkan secara alami di udara. sebuah lapisan besi borida dan “b” merupakan sam-
Keberadaan borida yang terbentuk pada permukaan pel dasar baja St37. Pertumbuhan lapisan didominasi
baja St37 dikarakterisasi dengan Shimadzu X-ray oleh difusi boron ke dalam sampel dasar dengan mem-
difraktometer (XRD 7000) dengan sumber radiasi Ka bentuk fase Fe2B dan FeB. Tergantung pada waktu
Cu dan panjang gelombang 1.541˚pada rentang sudut
A proses dan suhu, kedalaman lapisan boride berkisar
2θ berkisar antara 40◦ sampai dengan 90◦ . 20 sampai 60µm.
Pengukuran kekerasan mikro dilakukan pada
lapisan borida di bagian penampang irisan dan sampel
3 HASIL DAN PEMBAHASAN
baja untuk membandingkan kekerasan lapisan borida
Secara umum hasil boronisasi dapat membentuk dan sampel baja yang tidak mengalami difusi. Se-
lapisan Fe2B satu fasa pada permukaan sampel dasar buah mikrograf optik termasuk tanda indentasi Vick-
baja karbon. ers digunakan nuntuk menguji kekerasan mikro. Hasil
pengukuran kekerasan lapisan borida jauh lebih tinggi
dari pada lapisan sampel baja yang tidak mengalami
boronisasi.
Menurut diagram fase Fe-B , lapisan yang diperoleh
terdiri dari FeB boride ortorombik dan Fe2B boride
tetragonal, yang membentuk morfologi kolumnar yang
tumbuh di arah preferensial [2] , karena kepadatan mak-
simum dari atom boron ke arah itu. Dalam studi ini,
borida terbentuk pada permukaan sampel baja St37
memiliki morfologi datar (gambar 2).
Dua daerah yang diidentifikasi pada penampang
irisan lapisan borida baja St37 menunjukkan dua
lapisan dengan kekerasan yang berbeda (gambar 3).
Gambar 1: Skema gambar Vickers indentor digunakan un- Pertama, lapisan permukaan dengan fase Feb dan
tuk menguji kekerasan mikro [5]
Fe2B, dan kedua lapisan baja St37 yang tidak ter-
pengaruh oleh boron untuk membentuk lapisan besi
Gambar 2 menunjukkan morfologi dari mikroskop borida. Pengukuran kekerasan dilakukan dari per-
optik lapisan borida pada baja St37 dengan metode mukaan ke kedalaman tertentu dan hasilnya menun-
boronisasi padat. Dalam gambar ini,“a” merupakan jukkan kekerasannya menurun dengan kedalaman dari
1106-27

3. Sutrisno & Soegijono/Pengerasan Permukaan Baja . . . SIMETRI Vol.1 No.1(B) Mei’12
700 HV menjadi 200 HV.
Gambar 4: Spektrum dari data X-RD pada lapisan borida
baja ST37
2. Dari data XRD menunjukkan bahwa baja St37
menyebabkan pertumbuhan nukleasi fase Fe2B
dan FeB borida.
3. Diperoleh bahwa kekerasan mikro lapisan per-
mukaan besi boride sekitar 700 HV dan pada
lapisan bagian dalam bukan borida sekitar 200
HV.
4. Dari analisis metalografi dengan mikroskop op-
tik diketahui bentuk morfologi lapisan besi borida
halus dan datar.
Gambar 3: Variasi kekerasan mikro menurun dari per- DAFTAR PUSTAKA
mukaan sampel ke kedalaman tertentu
[1] Calik, A., O. Sahin, and N. Ucar, 2009, Mechanical
Properties of boronized AISI 316, AISI 1040, AISI 1045,
Pada gambar 4 dari hasil pengujian menggunakan and AISI 4140 steels, Acta Physica Polonica A, Vol.115
XRD menunjukkan spektrum dengan membentuk [2] Bindal, C. and A.H. Ucisik, 2008, Characterization of
fase-fase FeB dan Fe2B. Dengan terbentuknya fase- Boriding of 0.3% C, 0.02% Plain Carbon Steel, Vacuum,
fase tersebut maka telah terjadi perubahan konstanta 90 - 94
kisi pada sampel dasar. Perubahan konstanta kisi [3] Bouaouadja, A.N. and G. Saindernan, 2006,
tersebut mengakibatkan terbentuknya sistem kristal Characterization of Boronized Layers on a XC38 Steel,
Surface and Coating Technology, 201, 3475 - 3482
baru dari FCC (face central cubic) untuk baja St37
[4] Martini, C. and G. Palombarini, 2004, Mechanism of
manjadi ortorombic untuk fase FeB dan tetragonal un-
Thermochemical Growth of Iron Borides on Iron, Journal
tuk fase Fe2B.
of Material Science, 39, 933-937
[5] Ozde1mira, O., M. Ustab, C. Bindala, and A. Hikmet,
4 KESIMPULAN 2006, Hard iron boride (Fe2B) on 99.97wt% pure iron,
Vacuum, 80, 1391-1395
Dari hasil dan pembahasan dapat disimpulkan sebagai [6] Setiawan, J., 2010, Analisis Lapisan Besi Borida pada
berikut: ST37 dan S45C yang Diboronisasi dengan Teknik Powder
Pack, Universitas Indonesia
1. Dengan pengukuran kekerasan mikro dari per- [7] Matsuda, F., K. Nakata, and K. Tohmoto, 1984, Surface
mukaan ke kedalaman tertentu, besi borida dibagi hardening of various metal and alloys with boronizing
menjadi tiga bagian: (i) lapisan memiliki borida, technique, Japan Welding Research Institute of Osaka
(ii) zona transisi dimana boron membuat larutan University, Ibaraki, Osaka 567, Japan
padat, (iii) matriks yang tidak terpengaruh oleh [8] Biddulph, R.H., 1977, Boronizing for Erosion Resistance,
boron. Thin Solid Film, 45, hal.341-347
1106-28