Post on 02-Feb-2018
PRO SIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator Dan Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008
PENGARUH NITRlDASI ION TERHADAP KELELAHAN(FATIGUE) PAD A BAJA ST40
Sukidi, Slamet Riyadi, Hen SudarmatoPusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
ABSTRAK
PENGARUH NITRIDASI ION TERHADAP KELELAHAN (FA TIGUE) PADA BAJASTAD. Telah dilakukan nitridasi ion pada material baja ST 40 dan pengujian sifatkelelahan (fatigue). Baja ST 40 tennasuk kelompok material low alloy steel. Dengandilakukan nitridasi ion pada baja ST40 untuk mendapatkan peningkatan sifat mekanikterutama sifat kelelahan. Sedangkan pengujian fatigue sendiri untuk mengetahuiseberapa besar pengaruh peningkatan sifat kelelahannya. Fatigue merupakan salahsatu sifat mekanik dari suatu material yang harus dipertimbangkan dalam mendisainsuatu komponen/alat. Proses nitridasi dilakukan selama 5,5 jam, suhu 525'C padatekanan 1,2 mbar diperoleh peningkatan sifat kelelahannya dari 254.400 siklusmenjadi 502.000 siklus, ini menunjukkan bahwa setelah dilakukan nitridasi sifatkelelahanya meningkat hampir 2 kali.
ABSTRACT
THE INFLUENCE OF ION NITRIDA TION TO THE FA TIGUE OF ST-40 STEEL. Ionnitridation in St-40 steel material and fatigue test have been done. ST-40 steelincludes part of low alloy steel material. Ion nitridation in ST-40 steel was done toobtained the increment of mechanical characteristic from a material that must beconsidered to design components or tools. Nitridation process was done for 5.5 hours,525°C and 1.2 mbar. From this process is obtained the increment of its fatiguecharacteristic from 254,400 cycles become 502,000 cycles. It shows that magnitude offatigue characteristic increase become double after nitridation process.
PENDAHULUAN
Biji besi yang merupakan hasil tam bang dileburdalam dapur tinggi untuk mendapatkan besimentah (pig iron). Besi mentah adalah bahan teknikyang mempunyai kandungan besi (Fe), karbon (C)
dan kandungan yang lain seperti Nikel (Ni)molybdenum (Mo) Mangan (Mn), Silicon (Si),belerang (S), Vanadium (V), Cromium (Cr), Pospor(P) dan lain-lain. Untuk mendapatkan bajadilakukan serangkaian proses pengolahan. Prosespembuatan baja dapat dilakukan dalam konverter.Pembuatan baja bertujuan untuk mengurangi unsurun sur yang terdapat dalam besi mentah danmenambahkan unsur tertentu sesuai dengankeinginan yang akan dikehendaki. Ada dua macamproses pemb.:rsih:m dalam konventer yaitu asamdan basa. Proses as am dilakukan untuk mengurangikadar belerang, sedang proses bas a dilakukan untukmengurangi kandungan posphor. Baja paduan(Alloy,)'teel) adalah merupakan baja yang diperoleh
dari penambahan unsur tertentu untuk merubah sifatdari b~a karbon [I] Beberapa sifat mekanik bajadiantaranya adalah keras (hardness), ulet, Ielah(fatigue) dan lain-lain. Kelelahan adalah suatufenomena perpatahan yang berbahaya yang terjadipada bahan teknik akibat suatu siklus prosespembebanan bertluktuasi yang dikenakan padabahan. Pada makalah ini dibahas hasil pengujian
fatigue terhadap bahan yang telah dilakukan prosesnitridasi dibandingkan dengan bahan yang tanpanitridasi. Diharapkan dari hasil uji menunjukkanbahan yang telah dinitridasi akan lebih baik daribahan tanpa dinitridasi.
DASAR TEORI
Nitridasi merupakan salah satu jenisferriticthermochemical surface treatment. Yangmerupakan salah satu cara untuk meningkatkan sifatmekanik material logam pada permukaan denganmemasukkan nitrogen ke dalam permukaan logam
164 ISSN 1410 - 8178 Sukidi, dkk.
PRO SIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKA T NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator Dan Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008
seeara difusi. Jika yang dinitridasi adalah besi,maka seeara umum akan terbentuk lapisan nitridabesi (Fe-N) pad a permukaan yang akan mempunyaisifat sang at keras, sehingga membentuk lapisankeras pad a permukaan besi. [katan Fe-N yang akandihasilkan pad a proses nitridasi ini akandipengaruhi oleh jumlah atom nitrogen seperti padadiagram Fe-N yang disajikan pad a Gambar.l.
atom (vacancy).dan energi yang eukup untukmemutuskan ikatan an tar atom, seperti ditunjukkanpada Gambar 2.
Gambar.l. Diagram Fase Fe-N [2]
[on-ion nitrogen dideposisikan padapermukaan yang akan ditingkatkan sifatmekaniknya agar terjadi difusi sehingga membentuklapisan nitrida. Proses nitridasi plasma/ion dapatdilakukan pada tekanan sekitar 0,2 mbar - 8 mbardan temperatur 400-565°C, kondisi operasidipengaruhi oleh komposisi gas yang digunakan [3]
Pada saat proses nitridasi plasma/ion terjadi prosespenguraian nitrogen dan juga proses ionisasi. Glowdischarge yang terjadi disebabkan oleh emisi fotonyang kembali menjadi atome' -). N2 = N+ + N + 2e'
Ion nitrogen yang terbentuk akan bergerak menujukatoda dan akan menumbuk benda kerja yangterdapat pada katoda yang dikarenakan adanya bedapotensial, selanjutnya atom nitrogen akanterdeposisi dan berdifusi ke dalam permukaanbenda kerja.
Proses nitridasi dilakukan pada suhu dibawah 590°C (suhu ferritic) sehingga tidak terjadiperubahan fase setelah proses nitridasi. Karenaproses nitridasi dilakukan pada suhu rendah (dibawah temperatur austenit) dan tidak dilakukan
proses quenching, maka kemungkinan timbulnyadistorsi pad a benda kerja yang dinitridasi akan lebih
kecil dibandingkan dengan benda kerja hasil prosescarburizing.
Mekanisme difusi seeara Interstitial
diffusion dengan gerakan atom-atom tersebut terjadidengan syarat ada ruang kosong di an tara atom-
• ~t
-1Ln
-~"_N~,.-
-~ · ...~ ,·" ••• j'· 0.
E·•..•••
••• ,r,
Uomu: P,runt ~lt"OI~"" ..
...IftcieM Pcrnnl ~ltrOtfn
"
..
,.
Interstitial atom
diffusing illlointerstitial vacancy
Gambar 2. Gerakan atom nitrogen mengisi ruangkosong
TAT A KERJA
Alat
Alat yang digunakan dalam penelitian iniadalah:
I. Gergaji pemotong dan tanggem untukpembuatan spesimen .
2. Mesin bubut untuk pembuatan spesimen.3. Gerinda untuk meratakan permukaan
spesimen.4. Alat poles merek Karl Kolb.5. A[at Nitridasi [on buatan PT APB-BA TAN
Yogyakarta dengan menggunakan gas N2
untuk proses Nitridasi.6. Alat Uji Fatigue dengan merek Shimadzu
buatan Jepang di Laboratorium Bahan TeknikJTMI-FT UGM.
Bahan
Bahan-bahan yang digunakan dalampenelitian ini meliputi: Bahan baja ST40 (kategorilow alloy steel), Kertas amplas 120, 200, 240, 400,600, 1000, 1500 dan 2000.mesh, Autosol, Kain
poles, Alkohol 96%, Aquades.Spesimen pad a pene[itian ini dibuat sesuzi
dengan standar pengujian fatigue, Pembuatanspesimen untuk pengujian fatigue denganmenggunakan mesin bubut mengaeu pad a standarJ[S Z 2274. Spesimen uji fatigue dibuat sebanyak28 buah.
Proses nitridasi
Mesin nitridasi terdiri dari beberapakomponen antara lain: tabung plasma, pompavakum, sumber tegangan tinggi DC, gas nitrogen,dan alat ukur.
I. Tabung plasmaDi dalam tabung plasma terdapat anoda dankatoda di mana jarak an tara anoda dan katodasekitar 13 em.
2. Pompa Vakum
Sukidi, dkk. ISSN 1410 - 8178 165
PRO SIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator Dan Proses Bahan
Yogvakarta, 28 Agustus 2008
Pompa vakum digunakan untukmemvakumkan tabung plasma sampai padakevakuman orde 10-3mbar.
3. Sumber Tegangan DCSumber tegangan DC digunakan untukmemberikan beda potensial an tara anoda dankatoda.
4. Gas Nitrogen sebagai gas yang dideposisikan5. Alat ukur (amperemeter, voltmeter,
termometer dan alat ukur vakum) digunakan
untuk monitoring pada saat prosesAdapun parameter yang digunakan pada prosesnitridasi ditunjukkan pada Tabel.l.
525
1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,05,5N2
Skala 1 1
Gambar.3. Spesimen Uji Fatigue
Spesimen sebelum dipreparasi dilakukanuji komposisi. Spesimen yang telah dipreparasi danakan dinitridasi hams dalam keadaan bersih darikotoran dan bebas dari lemak. Untuk itu terlebih
dahulu spesimen dibersihkan dengan menggunakanalkohol (96%). Selanjutnya spesimen yang sudahbersih dimasukkan dalam tabung plasma. Dalam
setiap variasi proses (parameter) dimasukkan 8spesimen uji fatigue. Proses dimulai denganmemvakumkan tabung plasma hingga tekanan 10-2
mbar, dilanjutkan dengan memasukkan gas nitrogen
T acun'~ gas
nitrogen
Mete! suhu,
H!'gangan
Pen,~atut
teg3n-~3f!
sesuai dengan tekanan proses yang diinginkan.Setelah itu diberikan tegangan hingga terjadilucutan plasma (glow discharge) dan tegangandiatur hingga mencapai suhu yang diinginkan.Lama waktu proses nitridasi sesuai denganparameter yang telah ditentukan.
Diagram Alir Pengerjaan
Maters! Law Aik:Jy Steet [ST 40)
Tanpa nitridasi
Pengujian
Fadgue
Tabling plasma
katode
Mete! vakum
Pompa va kum tmari
pengatur gas ffiasuk
166
Gambar 4. Fota mesin nitridasi ion
ISSN 1410 - 8178 Sukidi, dkk.
PRO SIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator Dan Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008
Pengujian fatigue dilakukan diLaboratorium Bahan Teknik JTMI-FT UGM
dengan menggunakan mesin uji fatigue Rotarydengan merek Shimadzu buatan Jepang seperti padaGambar 5.
13. Ulangi langkah I-II untuk melakukanpengujian spesimen yang lain.
Hasil pengujian fatigue berupa jumlahsiklus hingga material tersebut mengalami patah.Perbandingan jumlah siklus antara rmv materialdengan material yang telah dinitridasi akanditampilkan dengan grafik S-N.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Dalam penelitian ini pengujian kelelahandilakukan untuk mengetahui umur lelah darimaterial sebelum dan sesudah nitridasi sertamengetahui pengaruh tekanan nitridasi terhadapkelelahan. Hasil dari pengujian ini disajikan denganmenggunakan kurva S-N seperti ditunjukkan padaGambar 6.
KUfYa S-H
N (Siktusj
Gambar 6 Kurva S-N Hasil Pengujian Lelah
Berdasarkan hasil pengujian (Gambar 6)menunjukkan bahwa kurva dari pengujian spesimenyang tidak dinitridasi berada di bawah kurva daripengujian spesimen yang dinitridasi, baik padatekanan 1,6 mbar maupun 1,8 mbar. Pada tegangan0,60- (34,83 kg/mm2) rmv material mencapai sikluspatah sebesar 254.400 siklus. Sedangkan spesimenyang dinitridasi pada tekanan 1,6 mbar dan 1,8mbar mencapai siklus patah sebesar 468.900 siklusdan 502.000 siklus. Untuk mengamati siklus patahbahan yang dinitridasi dengan variasi tekanan yangtelah dilakukan dengan pengujian kelelahan padategangan 0,50-(29,03 kg/mm2) hasilnya ditunjukkanpada Gambar 7.
Grafik pada Gambar 7 menunjukkan bahwajumlah siklus patah dan spesimen yang dinitridasimengalami peningkatan dan raw material yaitupada tekanan nitridasi 1,2 mbar, 1,4 mbar, 1,6 mbardan 1,8 mbar kemudian mulai mengalamipenurunan pada tekanan 2,0 mbar. Fenomena yangterjadi pada pengujian lelah justru mengalamipenurunan pada tekanan 2,0 mbar. Hal inimembuktikan bahwa tekanan nitridasi 2,0 mbartelah melebihi dosis optimal yang diterima olehbahan sehingga menyebabkan terjadinya
Gambar 5. Mesin Uji Fatigue Rotary Bending
Langkah-Iangkah yang dilakukan dalampengujianfatigue, yaitu:I. Menyiapkan spesimen seperti pada ketentuan
yang telah ditetapkan pada preparasi. Spesimendalam keadaan sudah dipoles halus dan atautelah dinitridasi.
2. Menyiapkan alat-alat pendukung yangdibutuhkan dalam uji fatigue antara lain, kuncipembuka cekam dan bandul sebagai beban.
3. Pengunci beban terlebih dahulu dinaikkan keatas agar tidak membebani saat prosespemasangan. Kemudian pilih bandul sesuaidengan pembebanan yang diinginkan.
4. Cekam pada mesin terlebih dahulu dilepas,kemudian spesimen dipasang pada cekamsebelah kiri.
5. Cekam sebelah kiri selanjutnya dipasang padamesin.
6. Pasang cekam sebelah kanan pada specimen,selanjutnya cekam sebelah kanan juga dipasangpada mesin, kemudian kedua cekam dikuncidengan pengunci cekam.
7. Setelah kedua cekam dipastikan terkunci denganbaik, hidupkan air sebagai pendingin mesin.
8. Pastikan semua kunci pendukung sudah terlepasdari mesin agar ticak mengganggu mesin padasaat beroperasi.
9. Tekan tombol ON pada mesin.10. Mulailah pembebanan dengan menurunkan
beban secara perlahan tanpa ada beban kejut.II. Apabila spesimen telah patah, maka mesin akan
mati secara otomatis dan lepaskan kedua cekamuntuk mengambil spesimen.
12.Jumlah putaran sampai spesimen patah dapatdilihat pada mesin.
- J"~E -i'''', :e:c
Ii .-"£"
,
t
I~'.',
D
'.••... :::.
H
~II
j
Sukidi, dkk. ISSN 1410 - 8178 167
PRO SIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator Dan Proses BahanVogyakarta, 29 Agustus 2009
PtmLoIl1
penumpukan ion-ion nitrogen pada permukaanbahan.
eoo,ooo
~~ eoo.aao
:- 500,000
200.000
100.000
;""94a.:70 .
j
\
\I
,<6~38.200 \/'
-.-'- 4:1g .800~-~...
/'
1. Pada material yang tanpa dinitridasi setelahdilakukan ujifatigue pada pembebanan 0,6a =34,83 kg/mm2 hasilnya menunjukkan bahwasampai pada siklus 254.400 material terjadipatah.
2. Pad a material yang dinitridasi setelahdilakukan uji fatigue pada pembebanan 0,6a =34,83 kg/mm2 patah lelahnya terjadi padasiklus 502.000.
3. Dari data hasil uji fatigue dapat dikatakanbahwa material yang dinitridasi ketahananlelahnya meningkat hingga hampir 2 kali.
Gambar 7. Grafik Hubungan Jumlah Siklus vs
Tekanan Pada Pengujian Lelah 0,50-
Hasil penampang patah spesimen uji lelahjuga menunjukkan adanya karakteristik patah lelah,yaitu seperti pembentukan retak awal (initial crack),daerah perambatan retak (beach mark), dan daerahpatah tiba-tibalstatis (final fractrure). Penampang
patah hasil pengujian lelah dapat dilihat padaGambar 8.
Pada gambar 8 dapat dilihat bahwa padaawal patah terlihat sepesimen yang dilakukan ujidengan pembebanan mulai terlihat retak patah yangdimulai dari tepi (permukaan) dan secara pelanpelan merambat kedalam dan semakin meluas dankedalam pada tam pang lintang dan pada akhirnya
terjadi patah.
ll1Qh.-\khir
S4a"::,~",.t T~kananfliIDdaS!. Rawma!ena!S'ldus patah: 254.400
...•. PaubA""l! Tekana!1r!!tfioasl 1.2{mban__ .••3r;:h .V":T~ Siklus patah . 502.000
Gambar 8. Penampang lintang patahan
KESIMPULAN
Setelah dilakukan serangkaian prosesnitridasi dan uji fatigue pada material b~a ST-40dapat disimpulkan sebagai berikut ;
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis pada kesempatan Inlmengucapakan banyak terima kasih kepada Bp Ir
Suprapto yang telah banyak membimbing danmengarahakan, sehingga makalah ini dapatdiselesaikan.
DAFTAR PUSTAKA
1. SURDlA, T., SAITO, S., 1992, PengetahuanBahan Teknik, Pradya Paramita, Jakarta
2. SINHA, A.K., 2003, Physical MetallurgyHandbook, McGraw-Hili, New York
3. SUPRAPTO, SUJITNO, T., SAYOND, 2007,
Uji Fungsi Sistem Nitridasi Ion untuk PerlakuanPermukaan, PT APB-BA TAN, Yogyakarta
TANYA JAWAB
Riyadi~ Berapa suhu yang optimum untuk nitridasi?
Sukidi~ Tergantung dari material yang dinitridasi dan
untuk baja ST40 adalah sekitar 5100C sampaidengan 535°C.
168 ISSN 1410 - 8178 Sukidi, dkk.