Perbandingan Physical Vapor Deposition (PVD), Chemical Vapor Deposition (CVD) dan Diffusion Hardening

Pengerasan permukaan (surface hardening) merupakan suatu proses yang bertujuan untuk meningkatkan ketahanan aus dari material tanpa mengurangi sifat ketangguhan dari material tersebut ^[1,2]. Pengerasan permukaan memiliki beberapa keuntungan, yaitu pada baja dapat digunakan baja karbon renda dan sedang yang murah untuk didapatkan permukaan yang keras dengan ketangguhan yang tinggi tanpa terjadinya distorsi dan cracking. Terdapat tiga tipe perlakuan pengerasan permukaan (Davis, 2002), dengan masing-masing tipe memiliki prinsip yang berbeda, yaitu thermochemical diffusion/diffusion hardening, applied energy/thermal method, dan surface coating/surface-modification method.

Metode physical vapor deposition (PVD) dan chemical vapor deposition (CVD) termasuk ke dalam tipe surface coating yang merupakan proses pendepositan lapisan yang keras pada permukaan material menggunakan senyawa yang berbeda secara struktur kimia dan sifatnya.

proses sputtering pada physical vapor deposition

PVD merupakan proses yang melibatkan pembentukan lapisan coating pada permukaan material dengan prinsip deposisi atau pengendapan secara fisik paritikel-partikel atom, ion atau molekul dari bahan pelapis/coating. Terdapat tiga teknik untuk melakukan proses PVD, yaitu thermal evaporation, sputtering, dan ion plating. Pada teknik thermal evaporation material akan dipanaskan dalam kondisi yang vacuum, kemudian dengan temperatur yang cukup tinggi atom-atom akan menguap dari sumber dan akan mengendap pada material yang akan dilapisi ^[2]. Pada sputtering material akan dilapisi dengan proses penghamburan atom secara mekanik dengan menjatuhkan kejut ion-ion atau atom-atom yang berenergi dan biasanya menggunakan atom Argon. Benturan atom Argon mampu mengeluarkan atom target yang kemudian menuju logam yang dilapis (substrat) dan part lain yang ada dalam chamber^[2]. Sedangkan untuk proses ion plating, prinsip dasarnya sama seperti proses evaporation. Pada proses ini sumber pelapisnya berasal dari kawat yang dijadikan sebagai anoda, sedangkan material yang akan dilapisi akan menjadi katoda dengan menggunakan sumber DC dengan tegangan antara -500 hingga -5000 V, sehingga atom bergerak cepat menuju ke substrate dan menghasilkan lapisan yang lebih rapat dan kuat^[2]. Kelebihan dari proses ini adalah: proses dapat dikontrol dengan mudah, temperatur deposisi yang rendah, hasil lapisan yang rapat dan baik. Sedangkan kekurangannya yaitu proses vakum yang membutuhkan biaya yang besar, ukuran komponen yang dapat dilapisi terbatas, serta laju pelapisan yang rendah.

CVD merupakan proses yang menghasilkan lapisan coating secara kimiawi atau dengan reaksi kimia pada permukaaan material yang dipanaskan ^[2]. Seperti terlihat pada gambar di samping, pelapisnya berupa gas yang akan bereaksi dengan permukaan material saat pemanasan berlangsung dan menghasilkan lapisan yang keras serta menghasilkan produk gas yang akan dibuang melalui reactor, dengan persamaan reaksi sebagai berikut:

MCl_x + H₂ + 0.5N₂ = MN + xHCl

MCl_x + CH₄ = MC + xHCl

Contohnya:

TiCl₄ + CH₄ = TiC + 4HCl

TiCl₄ + 1/2N₂ + 2H₂ = TiN + 4HCl

TiCl₄ + NH₃ + 1/2H₂ = TiN + 4HCl

Kelebihan dari CVD, yaitu hasil lapisan yagn memiliki kekerasan yang tinggi, gaya adhesi yang baik, dan kerataan hasil lapisan yang baik. Sedangkan kekurangan dari proses ini yaitu menggunakan temperatur yang tinggi, serta pengaruh terhadap lingkungan akibat gas yang dihasilkan. Baik PVD dan CVD digunakan untuk menambah ketahanan aus pada baja perkakas.

Sedangkan proses pengerasan dengan prinsip difusi (diffusion hardening) melibatkan modifikasi komposisi kimia pada permukaan material dan membutuhkan energi panas agar proses difusi tersebut berlangsung ^[1]. Metode ini menggunakan berbagai macam senyawa pengeras seperti karbon, nitrogen atau boron dalam bentuk gas, liquid, ataupun ion yang akan berdifusi pada permukaan material. Proses ini akan menghasilkan berbagai macam variasi profil kedalaman dan kekerasan yang bergantung pada temperatur dan lama waktu prosesnya.