PENGARUH NITRlDASI ION TERHADAP KELELAHAN …digilib.batan.go.id/e-prosiding/File...

5
PRO SIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator Dan Proses Bahan Yogyakarta, 28 Agustus 2008 PENGARUH NITRlDASI ION TERHADAP KELELAHAN (FATIGUE) PAD A BAJA ST40 Sukidi, Slamet Riyadi, Hen Sudarmato Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan ABSTRAK PENGARUH NITRIDASI ION TERHADAP KELELAHAN (FA TIGUE) PADA BAJA STAD. Telah dilakukan nitridasi ion pada material baja ST 40 dan pengujian sifat kelelahan (fatigue). Baja ST 40 tennasuk kelompok material low alloy steel. Dengan dilakukan nitridasi ion pada baja ST40 untuk mendapatkan peningkatan sifat mekanik terutama sifat kelelahan. Sedangkan pengujian fatigue sendiri untuk mengetahui seberapa besar pengaruh peningkatan sifat kelelahannya. Fatigue merupakan salah satu sifat mekanik dari suatu material yang harus dipertimbangkan dalam mendisain suatu komponen/alat. Proses nitridasi dilakukan selama 5,5 jam, suhu 525'C pada tekanan 1,2 mbar diperoleh peningkatan sifat kelelahannya dari 254.400 siklus menjadi 502.000 siklus, ini menunjukkan bahwa setelah dilakukan nitridasi sifat kelelahanya meningkat hampir 2 kali. ABSTRACT THE INFLUENCE OF ION NITRIDA TION TO THE FA TIGUE OF ST-40 STEEL. Ion nitridation in St-40 steel material and fatigue test have been done. ST-40 steel includes part of low alloy steel material. Ion nitridation in ST-40 steel was done to obtained the increment of mechanical characteristic from a material that must be considered 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 fatigue characteristic from 254,400 cycles become 502,000 cycles. It shows that magnitude of fatigue characteristic increase become double after nitridation process. PENDAHULUAN Biji besi yang merupakan hasil tam bang dilebur dalam dapur tinggi untuk mendapatkan besi mentah (pig iron). Besi mentah adalah bahan teknik yang 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 baja dilakukan serangkaian proses pengolahan. Proses pembuatan baja dapat dilakukan dalam konverter. Pembuatan baja bertujuan untuk mengurangi unsur- un sur yang terdapat dalam besi mentah dan menambahkan unsur tertentu sesuai dengan keinginan yang akan dikehendaki. Ada dua macam proses pemb.:rsih:m dalam konventer yaitu asam dan basa. Proses as am dilakukan untuk mengurangi kadar belerang, sedang proses bas a dilakukan untuk mengurangi kandungan posphor. Baja paduan (Alloy,)'teel) adalah merupakan baja yang diperoleh dari penambahan unsur tertentu untuk merubah sifat dari b~a karbon [I] Beberapa sifat mekanik baja diantaranya adalah keras (hardness), ulet, Ielah (fatigue) dan lain-lain. Kelelahan adalah suatu fenomena perpatahan yang berbahaya yang terjadi pada bahan teknik akibat suatu siklus proses pembebanan bertluktuasi yang dikenakan pada bahan. Pada makalah ini dibahas hasil pengujian fatigue terhadap bahan yang telah dilakukan proses nitridasi dibandingkan dengan bahan yang tanpa nitridasi. Diharapkan dari hasil uji menunjukkan bahan yang telah dinitridasi akan lebih baik dari bahan tanpa dinitridasi. DASAR TEORI Nitridasi merupakan salah satu jenisferritic thermochemical surface treatment. Yang merupakan salah satu cara untuk meningkatkan sifat mekanik material logam pada permukaan dengan memasukkan nitrogen ke dalam permukaan logam 164 ISSN 1410 - 8178 Sukidi, dkk.

Transcript of PENGARUH NITRlDASI ION TERHADAP KELELAHAN …digilib.batan.go.id/e-prosiding/File...

Page 1: PENGARUH NITRlDASI ION TERHADAP KELELAHAN …digilib.batan.go.id/e-prosiding/File Prosiding/Energi/Pros... · dilakukan nitridasi ion pada baja ST 40 untuk mendapatkan peningkatan

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.

Page 2: PENGARUH NITRlDASI ION TERHADAP KELELAHAN …digilib.batan.go.id/e-prosiding/File Prosiding/Energi/Pros... · dilakukan nitridasi ion pada baja ST 40 untuk mendapatkan peningkatan

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

Page 3: PENGARUH NITRlDASI ION TERHADAP KELELAHAN …digilib.batan.go.id/e-prosiding/File Prosiding/Energi/Pros... · dilakukan nitridasi ion pada baja ST 40 untuk mendapatkan peningkatan

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.

Page 4: PENGARUH NITRlDASI ION TERHADAP KELELAHAN …digilib.batan.go.id/e-prosiding/File Prosiding/Energi/Pros... · dilakukan nitridasi ion pada baja ST 40 untuk mendapatkan peningkatan

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

Page 5: PENGARUH NITRlDASI ION TERHADAP KELELAHAN …digilib.batan.go.id/e-prosiding/File Prosiding/Energi/Pros... · dilakukan nitridasi ion pada baja ST 40 untuk mendapatkan peningkatan

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.