Perlakuan difusi dapat diterapkan untuk menambahkan unsur-unsur tertentu (seperti karbon) ke permukaan yang akan membuatnya keras permukaan. Difusi adalah gerakan spontan atom atau molekul dalam suatu zat yang cenderung membuat komposisi seragam di seluruh bagian. Kekuatan pendorong untuk difusi adalah gradien konsentrasi. Misalnya, jika baja (persentase karbon rendah) diletakkan di atmosfer yang kaya gas karbon seperti CO, maka karbon dari gas akan berdifusi ke dalam baja. Tingkat proses difusi tergantung pada (1) sifat logam induk, (2) jenis difusi, (3) gradien konsentrasi dan (4) suhu. Gradien konsentrasi dalam hal ini bermakna perbedaan konsentrasi karbon dalam gas di luar baja dan konsentrasi karbon di dalam potongan baja.

Atom terlarut yang sangat kecil (karbon dalam hal ini) bergerak ke dalam ruang antara atom inang (atom besi baja), dinamakan difusi interstitial. Atom besar ke dalam bahan inang menemukan jalan mereka ke dalam celah kekosongan, disebut difusi pengganti. Agar difusi dapat terjadi, logam inang harus memiliki konsentrasi yang rendah dan harus ada konsentrasi yang cukup dari jenis difusi pada permukaan logam inang.

Proses difusi dengan difusi karbon untuk pengerasan baja, biasanya membutuhkan temperatur yang lebih tinggi. Temperatur yang cocok untuk difusi karbon dalam baja adalah antara 840 ° C - 950 ° C, dan untuk difusi nitrogen, adalah 480–560 ° C.

Berikut adalah proses difusi yang umumnya digunakan untuk pengerasan baja:
1. Carburizing (Karburasi)
2. Case Depth
3. Nitriding (Nitridasi)
4. Carbonitriding
5. Cyaniding

Karburisasi

Jika sepotong baja karbon rendah (katakanlah baja 0,2 persen C) ditempatkan di atmosfer jenuh karbon di suhu yang meningkat, atom karbon akan berdifusi (menembus) ke dalam baja. Arang dan Barium Karbonat meningkatkan pembentukan gas CO2. Dalam pack carburizing, bagian yang akan dikarburasi dikemas dalam ruang baja, sehingga benar-benar dikelilingi oleh butiran arang. Arang di treatmen dengan Barium Carbonate (BaCO3), yang meningkatkan pembentukan CO2. Gas ini, pada gilirannya, bereaksi dengan karbon  berlebih dalam arang untuk menghasilkan CO. Karbon monoksida bereaksi dengan permukaan baja karbon rendah untuk membentuk karbon atom, yang berdifusi ke dalam baja. Kedalaman karburisasi bisa 1–1,25 mm. Karburisasi gas dapat juga dilakukan dengan gas karbon, semisal gas alam atau gas propana.

Garam atau cairan karburasi dilakukan dalam pot garam cair yang dipanaskan secara internal atau eksternal, misal garam NaCN. Semua proses karburasi (pack, gas dan garam) memerlukan pendinginan dari suhu karburisasi ke suhu yang lebih rendah. Bagian-bagian ini kemudian ditemper sampai (mencapai) kekerasan yang diinginkan.

Case Depth

Sampel kecil baja (sepesimen) yang akan dikarburasi dilakukan takik (goresan pada permukaan). Kemudian  setelah itu dikarburasi. Setelah proses karburisasi dan pengerasan, sampel dipotong pada bagian takik dan permukaan potongan zona yang mengeras diuji kekerasan HRC nya. Pengukuran kekerasan dilakukan pada jarak yang teratur seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Sampai titik di mana kekerasan jatuh di bawah 50 HRC adalah case depth yang efektif, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.

difusi karbon

Gambar 1. Case Depth Efektif

Aplikasi karburasi terbatas hanya pada baja karbon rendah dan paduan rendah. Proses ini tidak digunakan pada baja tahan karat atau pada besi tuang.

Nitriding

Ketika nitrogen dalam bentuk monoatomik didiffusikan ke permukaan baja, maka nitrida besi yang sangat keras atau senyawa paduan nitrogen akan terbentuk. Nitriding case yang dihasilkan jauh lebih sulit daripada carburizing case. Suhu subkritis digunakan dan kekerasan dicapai tanpa pendinginan. Pengerasan dilakukan dalam atmosfer nitrogen yang mencegah scaling (kerak) dan perubahan warna.
Sumber nitrogen yang digunakan dalam proses difusi adalah amonia dan suhu nitridasi adalah 500-575 ° C.

Reaksi kimia, 2NH3 --------------------> 2N + 3H2
                     Pemanasan

Nitrogen didiffusikan ke dalam baja dan hidrogen terbuang. Setelah nitridasi, bagian-bagiannya secara lambat terdinginkan dalam retort.

Permukaan yang dinitridasi memiliki karakteristik yang berbeda dari baja yang dikeraskan permukaan lainnya. Nitridasi dikategorikan menjadi tiga zona:

  • Lapisan putih, yang rapuh dan rentan terhadap spalling.
  • Lapisan nitrida yang  keras.
  • Zona difusi yang menurunkan kekerasan.

Lapisan putih memiliki efek merusak pada umur kelelahan dari bagian nitrided, sehingga dihapus dari bagian nitrid.
Difusi nitrogen dan pembentukan nitrida keras dapat ditingkatkan dengan adanya unsur-unsur tersebut dalam baja
seperti Al, Cr, Mo, V dan W. Baja nitrided yang paling umum adalah baja Mo-Cr, yaitu nitralloy. Penambahan 1 persen aluminium sangat meningkatkan pembentukan nitrida keras.

Carbonitriding

Dalam proses ini, karbon dan nitrogen didiffusikan ke permukaan baja. Proses ini dilakukan di atmosfer gas dalam tungku menggunakan gas propana dan sebagian kecil amonia. Propana menyediakan karbon sedangkan amonia memberikan pengerasan hingga 60-65 HRC, yang dapat diperoleh dengan carbonitriding. Baja karbon rendah dan baja paduan karbon rendah adalah bisa dilakukan carbonitriding. Untuk mengurangi kerapuhan, bagian-bagian yang dicarbonitiridasi harus ditemper. Kedalaman case 0,2-0,25 mm diperoleh pada baja karbon biasa.

Cyaniding

Sumber elemen difusi adalah rendaman garam cair, garam cyanide seperti NACN (natrium sianida) yang dipertahankan pada kisaran suhu 760–860 ° C. Pemanasan dalam rendaman garam diikuti dengan pendinginan air. Case Depth kedalaman 0,25-0,75 mm dapat dicapai. Waktu pemrosesan hanya sekitar 15 menit. Hanya baja karbon rendah yang dapat dilakukan proses cyanding.

Referensi: Material Science and Metallurgy, U.C. Jindal