PENGERASAN PERMUKAAN BAJA ST 42 DENGAN ......pada mesin-mesin industri atau mesin-mesin perkakas...

13
Suprapto, dkk. ISSN 0216 - 3128 51 PENGERASAN PERMUKAAN BAJA ST 42 DENGAN TEKNIK NITRIDASI ION Suprapto, Tjipto Sujitno Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Maju – Batan Mudjijana Teknik Mesin – Fakultas Teknik Universitas Gajah Mada ABSTRAK PENGERASAN PERMUKAAN BAJA ST 42 DENGAN TEKNIK NITRIDASI ION. Telah dilakukan nitridasi dengan teknik nitridasi ion untuk material baja ST 42. Nitridasi bertujuan untuk memperbaiki sifat-sifat mekanik permukaan khususnya peningkatan kekerasan. Peningkatan kekerasan hanya pada permukaan material sedangkan pada bagian dalam sifatnya tetap yaitu sama dengan sifat sebelum dilakukan pengerasan permukaan. Nitridasi dapat dilakukan secara konvensional maupun dengan nitridasi ion. Pada proses nitridasi ion, material yang dinitridasi ditempatkan dalam reaktor plasma dengan tekanan rendah (vakum) dan gas nitrogen dialirkan serta diplasmakan dengan tegangan DC. Nitridasi dilakukan dengan variasi waktu deposisi dan variasi tekanan untuk mendapatkan hasil yang optimal pada jarak dan tegangan anode-katode masing-masing 13 cm dan 750 Volt. Hasil nitridasi diperoleh kekerasan tertinggi 325,93 KHN dan prosentase peningkatan kekerasan sebesar 51,8 % dari material awal untuk waktu nitridasi 3 jam dan tekanan 1,2 mbar. Untuk hasil uji metalografi diperoleh perubahan struktur ferrit dan perlit yang semula mempunyai butiran kasar berubah menjadi butiran halus sehingga terjadi peningkatan kekerasan. Kedalaman difusi sebesar 150 m sedangkan hasil perhitungan 132,06 m, penyimpangan ini disebabkan karena perhitungan hanya berdasarkan pada faktor difusi termal dan belum memperhitungkan efek energi kinetik ion. Kata kunci: Ilmu Bahan, Pengerasan Permukaan, Nitridasi Ion. ABSTRACT SURFACE HARDENING OF ST 42 STEEL USING ION NITRIDING TECHNIQUES. Nitriding of ST 42 steel has been done using ion nitriding technique. The purpose of this nitriding is to improve the mechanical properties of ST 42 steel especially its surface hardness. In the surface hardening, only the surface is improved, while the inner properties does not change, same as the base materials. The nitriding process can be done by conventional technique or by ion nitriding technique. In ion nitriding technique, the samples were put into vacuum chamber of the plasma reactor where the nitrogen gas was introduced and ionized by direct voltage and then deposited into the targets. To get the optimum conditions, the parameters such as deposition time and gas pressure were varied, while the others parameters such as electrode voltage and distance electrode were kept constant at 700 Volt and 13 cm respectively. The optimum hardness in the order of 325,95 KHN was achieved in deposition time 3 hours and pressure 1,2 torr. Compared to the initial hardness (in the order of 214,7 KHN), the optimum increasing of hardness is 51,8 %. From metalographic observation using optical microscope, it can be concluded that there is a phase changing, from coarse ferrite and perlite to fine ferrite and perlite structure. From cross section microstructure observation, it can be measured that the diffusion depth is in the order of 150 m, but from theoretical calculation the diffusion depth is in the order of 132,06 m. This deviation may be caused by the fact that the diffusion depth calculation is only based on the thermal diffusion effect, without considering the kinetic energy effect. PENDAHULUAN erkembangan teknologi yang cukup pesat, para peneliti dituntut untuk melakukan suatu penelitian yang inovatif. Penelitian mengenai bahan-bahan logam dasar sangat diperlukan, P mengingat kebutuhan dari industri maju terhadap material logam dengan kualitas yang baik yaitu mempunyai sifat-sifat yang lebih unggul dari logam dasarnya. Oleh karena itu diperlukan pengem- bangan teknologi untuk mengubah dan memperbaiki sifat mekanik permukaan logam. Prosiding PPI - PDIPTN 2005 Puslitbang Teknologi Maju - BATAN Yogyakarta, 12 Juli 2005

Transcript of PENGERASAN PERMUKAAN BAJA ST 42 DENGAN ......pada mesin-mesin industri atau mesin-mesin perkakas...

Page 1: PENGERASAN PERMUKAAN BAJA ST 42 DENGAN ......pada mesin-mesin industri atau mesin-mesin perkakas serta tersedia dipasaran. Cara konvensional untuk memperbaiki sifat-sifat mekanik dari

Suprapto, dkk. ISSN 0216 - 3128 51

PENGERASAN PERMUKAAN BAJA ST 42 DENGAN TEKNIKNITRIDASI ION

Suprapto, Tjipto SujitnoPusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Maju – Batan

MudjijanaTeknik Mesin – Fakultas Teknik Universitas Gajah Mada

ABSTRAK

PENGERASAN PERMUKAAN BAJA ST 42 DENGAN TEKNIK NITRIDASI ION. Telah dilakukan nitridasidengan teknik nitridasi ion untuk material baja ST 42. Nitridasi bertujuan untuk memperbaiki sifat-sifatmekanik permukaan khususnya peningkatan kekerasan. Peningkatan kekerasan hanya pada permukaanmaterial sedangkan pada bagian dalam sifatnya tetap yaitu sama dengan sifat sebelum dilakukanpengerasan permukaan. Nitridasi dapat dilakukan secara konvensional maupun dengan nitridasi ion.Pada proses nitridasi ion, material yang dinitridasi ditempatkan dalam reaktor plasma dengan tekananrendah (vakum) dan gas nitrogen dialirkan serta diplasmakan dengan tegangan DC. Nitridasi dilakukandengan variasi waktu deposisi dan variasi tekanan untuk mendapatkan hasil yang optimal pada jarak dantegangan anode-katode masing-masing 13 cm dan 750 Volt. Hasil nitridasi diperoleh kekerasan tertinggi325,93 KHN dan prosentase peningkatan kekerasan sebesar 51,8 % dari material awal untuk waktunitridasi 3 jam dan tekanan 1,2 mbar. Untuk hasil uji metalografi diperoleh perubahan struktur ferrit danperlit yang semula mempunyai butiran kasar berubah menjadi butiran halus sehingga terjadi peningkatankekerasan. Kedalaman difusi sebesar 150 m sedangkan hasil perhitungan 132,06 m, penyimpangan inidisebabkan karena perhitungan hanya berdasarkan pada faktor difusi termal dan belum memperhitungkanefek energi kinetik ion.

Kata kunci: Ilmu Bahan, Pengerasan Permukaan, Nitridasi Ion.

ABSTRACT

SURFACE HARDENING OF ST 42 STEEL USING ION NITRIDING TECHNIQUES. Nitriding of ST 42steel has been done using ion nitriding technique. The purpose of this nitriding is to improve themechanical properties of ST 42 steel especially its surface hardness. In the surface hardening, only thesurface is improved, while the inner properties does not change, same as the base materials. The nitridingprocess can be done by conventional technique or by ion nitriding technique. In ion nitriding technique,the samples were put into vacuum chamber of the plasma reactor where the nitrogen gas was introducedand ionized by direct voltage and then deposited into the targets. To get the optimum conditions, theparameters such as deposition time and gas pressure were varied, while the others parameters such aselectrode voltage and distance electrode were kept constant at 700 Volt and 13 cm respectively. Theoptimum hardness in the order of 325,95 KHN was achieved in deposition time 3 hours and pressure 1,2torr. Compared to the initial hardness (in the order of 214,7 KHN), the optimum increasing of hardness is51,8 %. From metalographic observation using optical microscope, it can be concluded that there is aphase changing, from coarse ferrite and perlite to fine ferrite and perlite structure. From cross sectionmicrostructure observation, it can be measured that the diffusion depth is in the order of 150 m, but fromtheoretical calculation the diffusion depth is in the order of 132,06 m. This deviation may be caused bythe fact that the diffusion depth calculation is only based on the thermal diffusion effect, withoutconsidering the kinetic energy effect.

PENDAHULUAN

erkembangan teknologi yang cukup pesat, parapeneliti dituntut untuk melakukan suatu

penelitian yang inovatif. Penelitian mengenaibahan-bahan logam dasar sangat diperlukan,

Pmengingat kebutuhan dari industri maju terhadapmaterial logam dengan kualitas yang baik yaitumempunyai sifat-sifat yang lebih unggul dari logamdasarnya. Oleh karena itu diperlukan pengem-bangan teknologi untuk mengubah danmemperbaiki sifat mekanik permukaan logam.

Prosiding PPI - PDIPTN 2005Puslitbang Teknologi Maju - BATAN

Yogyakarta, 12 Juli 2005

Page 2: PENGERASAN PERMUKAAN BAJA ST 42 DENGAN ......pada mesin-mesin industri atau mesin-mesin perkakas serta tersedia dipasaran. Cara konvensional untuk memperbaiki sifat-sifat mekanik dari

52 ISSN 0216 - 3128 Suprapto, dkk.

Pengerasan suatu permukaan adalah suatu metodeuntuk memodifikasi permukaan yang hasilnya akansangat bermanfaat untuk mesin-mesin industri.Pada proses ini yang paling pokok untukmendapatkan pengerasan permukaan adalahdengan suatu lapisan tipis yang akanmempengaruhi sifat kekerasan dari bahan yangditeliti.

Pembentukan lapisan tipis pada permukaanbaja dengan ketebalan berukuran mikron sangatbanyak manfaatnya. Penerapan teknikpembentukan lapisan tipis pada permukaan diawalipada abad 19 yaitu pada tahun 1852 ketika Grovemelakukan percobaan lucutan listrik dengan mediagas sehingga terbentuknya lapisan logam padadinding tabung lucutan pijar di sekitar elektrodanegatif. Pada tahun 1857 Faraday juga berhasilmenemukan pembuatan lapisan tipis denganmetode evaporasi[1].

Mengubah sifat-sifat mekanik suatu logamdapat ditempuh dengan cara melakukan prosestertentu agar dapat mengubah struktur logamtersebut sehingga diperoleh sifat mekanik yanglebih baik. Hal ini disebabkan karena logammempunyai sifat mekanik yang sangatberhubungan dengan struktur atomnya[2].

Baja merupakan jenis logam yang palingbanyak digunakan dalam kehidupan, misalnya padamesin-mesin industri dan mesin-mesin perkakas.Contoh penggunaan ini adalah pada poros mesin,roda gigi dan lain-lain. Disamping itu harganyarelatif murah dibanding dengan logam yang lain.Baja mempunyai nilai ketahanan aus dan gesekyang kurang bagus sehingga dengan adanyapelapisan permukaan diharapkan dapatmemperbaiki sifat-sifat mekanik dari baja tersebut.Pada penelitian ini dipilih bahan (substrat) baja ST42 karena banyak digunakan sebagai bahan porospada mesin-mesin industri atau mesin-mesinperkakas serta tersedia dipasaran.

Cara konvensional untuk memperbaiki sifat-sifat mekanik dari logam besi antara lain carakarburasi, nitridasi, karbonitridasi, nyala api, daninduksi listrik[3,4]. Dengan kemajuan teknologiuntuk memperbaiki sifat-sifat mekanik dari logam,saat ini mulai dikembangkan cara lain untukmembentuk lapisan tipis dan memperbaiki sifat-sifat pada permukaannya. Cara tersebut meliputimetode evaporasi, implantasi ion, plasma lucutanpijar RF, dan plasma lucutan pijar DC[5]. Padapenelitian ini digunakan metode plasma lucutanpijar DC. Pada plasma lucutan pijar DC, plasmaterbentuk oleh adanya tegangan tinggi DC yangdipasang pada anoda-katoda dalam reaktor plasma.

Kelebihan dari metode ini yaitu dapatmenghasilkan lapisan tipis baik dengan gasmaupun bahan padat yang mempunyai titik lelehtinggi (plasma sputtering)[6]. Untuk pembuatanlapisan tipis dengan gas dilakukan melaluipendeposisian atom-atom dengan meng-ionisasikandalam bentuk plasma kemudian ion-ion tersebutdideposisikan pada substrat. Tetapi untukpembuatan lapisan tipis dari bahan padat yangmempunyai titik leleh tinggi harus dengan tekniksputtering yaitu dengan cara bahan padat yang akandilapiskan ditembak (di-sputter) dengan ion argonsehingga atom-atom padatan tersebut terpercik danterdeposisi pada permukaan substrat yang dilapisi.

DASAR TEORI

Pengerasan Permukaan

Pada beberapa komponen tertentu sepertiporos dan roda gigi dibutuhkan kombinasi sifat-sifat mekanik material, yaitu harus mampumenahan aus dan juga harus mampu menahangaya-gaya dinamis. Kedua sifat tersebut padadasarnya berlawanan, karena jika kekerasan dankekuatan meningkat maka keuletan danketangguhan akan menurun. Untuk memenuhikebutuhan material tersebut maka dibuat duakondisi, yaitu material dengan bagian luar yangkeras dan bagian inti tetap ulet. Cara yang dapatdigunakan untuk mendapatkan sifat-sifat tersebutadalah dengan teknik perlakuan permukaan(surface treatment). Pengerasan permukaantermasuk kategori perlakuan permukaan dan dapatdibagi menjadi dua yaitu pengerasan permukaandengan proses perlakuan panas (heat treatment)dan pengerasan permukaan dengan menghasilkanlapisan permukaan yang keras (surface hardcoating) akibat adanya proses pendeposisian ion-ion (atom-atom) tertentu pada permukaan material.

Pengerasan Permukaan Dengan Heat Treatment

Pengerasan permukaan dengan proses heattreatment dapat dibagi menjadi 2 kelompok, yaitupengerasan permukaan termokimia dan pengerasanthermal.

1. Pengerasan Termokimia

Pengerasan permukaan secara termokimiadilakukan dengan memasukkan/mendifusikanatom-atom tertentu (karbon atau nitrogen, ataukedua-duanya) ke dalam permukaan material. Halini dapat dilakukan karena setiap atom mempunyaikemam-puan berdifusi pada energi yang dimiliki

Prosiding PPI - PDIPTN 2005Puslitbang Teknologi Maju - BATAN

Yogyakarta, 12 Juli 2005

Page 3: PENGERASAN PERMUKAAN BAJA ST 42 DENGAN ......pada mesin-mesin industri atau mesin-mesin perkakas serta tersedia dipasaran. Cara konvensional untuk memperbaiki sifat-sifat mekanik dari

Suprapto, dkk. ISSN 0216 - 3128 53

(energi aktivasi). Pengerasan termokimia tersebutdi-antaranya adalah karburasi, nitridasi, cyanidingmaupun karbonitridasi.

a. Karburasi

Karburasi merupakan cara yang paling lamadikenal dalam proses pengerasan permukaan.Prinsip dari metode karburasi ini adalah pelapisan/penambahan atom karbon yang tinggi padapermukaan material baja karbon rendah, sehinggametode ini cocok untuk material baja karbonrendah atau baja paduan dengan kandungan karbonantara 0,1 % - 0,25 %. Kandungan karbonsetelah proses nitridasi dapat meningkat hingga 0,7% sampai 0,9 %. Karburasi dilakukan padatemperatur austenit yaitu pada 9000C – 930 0C,karena pada kondisi austenit karbon akan larutsecara optimum[5]. Oleh karena itu proses karburasidapat menghasilkan baja dengan permukaan yangkeras dengan inti yang tetap ulet/tangguh. Proseskarburasi secara umum digunakan dalam industri-industri komponen mesin seperti roda gigi,bantalan, dan poros, dimana ketahanan permukaanterhadap keausan dan ke-tangguhan terjadinyaperpatahan sangan diperlukan.

b. Nitridasi

Nitridasi adalah suatu proses pengerasanpermukaan dengan menambahkan unsur nitrogenpada permukaan benda kerja (biasanya baja).Proses nitridasi menggunakan gas amonia (NH3)pada suhu 480oC - 650oC, amonia akan berdisosiasipada suhu ini dengan reaksi[5]

2NH3 N2 + 3H2

Proses nitridasi pada umumnya diterapkan untukpengerasan baja karbon medium dan baja paduanyang mengandung unsur-unsur :Al, Cr, Mo, danunsur lain yang memungkinkan bereaksi denganunsur nitrogen sehingga terbentuk senyawa-senyawa : Fe3N, Fe4N, Cr2N, Mo2N maupun AlN.Penggunakan metode ini umumnya untuk poros(shaft), valve guide, valve seting dan gear.

c. Cyaniding

Cyaniding adalah suatu proses casehardening yang akan memberikan tambahan unsurnitrogen dan karbon pada lapisan permukaan bendakerja pada suhu 870oC dalam tempat yang berisi 30% sodium cyanida[5]. Tebal lapisan keras padacyaniding: 0,1-0,2 mm. Aplikasi ini cocok untukpengerasan roda gigi, piston, pena piston dan poroskecil.

d. Karbonitridasi

Proses ini menggunakan campuran gas alamantara 70 % - 80 % dan amonia 20 % - 30 %. Padaproses karbonitridasi permukaan benda kerja di-deposisi dengan atom karbon dan nitrogen secaraserempak, tetapi prosesnya lebih lambat dari padaliquid cyaniding[5]. Contoh aplikasi untuk penge-rasan roda gigi, chain link, nuts, baut dan mur.

2. Pengerasan Termal

Pengerasan termal adalah proses pengerasanpada permukaan material dimana pengerasandilakukan dengan mengatur jenis struktur mikroyang terbentuk pada setiap lapisan. Prosespengerasan dilakukan dengan pemanasan padamaterial, kemudian didinginkan dengan cepatdalam air atau oli untuk menghasilkan strukturmartensit. Metode ini digunakan pada baja karbonmedium atau baja paduan rendah dengankandungan karbon 0,3 % – 0,6 %[5]. Yangtermasuk pengerasan termal diantaranya adalah:flame hardening dan induction hardening

a. Flame hardening

Flame hardening adalah proses pengerasanpermukaan dengan cara pemanasan yang cepatpada temperatur austenit hanya pada permukaannyasaja. Cara ini digunakan apabila suatu komponenterbuat dari baja yang secara langsung dapatdikeraskan, tetapi pemanasannya berlangsungdengan cepat pada permukaan. Flame hardeningadalah proses pengerasan permukaan materialdengan menggu-nakan semburan gas (semburanlas). Proses ini disebut juga proses pengerasandengan waktu singkat. Prinsip kerja pengerasan iniadalah permukaan material yang dikeraskan,dipanaskan dengan cepat oleh semburan gas/las(misalnya oxyacetylene atau oxyhidrogen),kemudian material didinginkan secara cepatdengan cara disemprot dengan air atau dicelupkandalam air untuk mendapatkan struktur martensitsehingga didapatkan permukaan yang keras. Padaproses ini tidak terjadi perubahan komposisi.Flame hardening biasanya digunakan pada materialbaja dengan kandungan karbon 0,4 % – 0,5 % ataubesi cor dengan kandungan karbon 0,4 % – 0,8 %

b. Induction hardening

Proses pengerasan permukaan denganmetode induction hardening adalah permukaanmaterial yang akan dikeraskan dipanaskan dengancepat pada temperatur austenit menggunakanmedan elektro-magnetik frekuensi tinggi.Kemudian didinginkan sehingga terjadi perubahanstruktur yaitu dari struktur austenit menjadi

Prosiding PPI - PDIPTN 2005Puslitbang Teknologi Maju - BATAN

Yogyakarta, 12 Juli 2005

Page 4: PENGERASAN PERMUKAAN BAJA ST 42 DENGAN ......pada mesin-mesin industri atau mesin-mesin perkakas serta tersedia dipasaran. Cara konvensional untuk memperbaiki sifat-sifat mekanik dari

54 ISSN 0216 - 3128 Suprapto, dkk.

struktur martensit yang keras. Metode ini biasanyaditerapkan pada baja dengan kandungan karbon 0,4% – 0,75 % atau besi cor dengan kandungankarbon 0,4 % – 0,5 %. Penggunaan metode iniuntuk pengerasan roda gigi dan bantalan rol.

Pelapisan Permukaan

Cara lain yang digunakan dalam prosespengerasan permukaan adalah dengan membentuklapisan tipis yang keras pada permukaan (surfacehard coating). Satu diantara cara ini adalahnitridasi dengan teknik nitridasi ion (ion nitriding)[7,8]. Teknik nitridasi ion adalah cara pengerasanpermukaan dengan mendeposisikan ion nitrogenpada permukaan yang dikeraskan. Untukmembentuk ion nitrogen dilakukan dengan caramemplasmakan gas nitrogen di dalam tabungreaktor plasma sehingga terbentuk pasangan ionnitrogen dan elektron. Ion-ion nitrogen inidideposisikan pada permukaan yang dikeraskanagar terjadi difusi dan kelarutan secara interstisimembentuk lapisan nitrida. Jika yang dinitridasiadalah besi maka akan terbentuk lapisan nitridabesi (FeN) pada permukaan yang mempunyai sifatsangat keras sehingga membentuk lapisan keraspada permukaan besi.

TATA KERJA

Langkah-langkah dalam melakukan nitridasidengan teknik nitridasi ion digambarkan dengandiagram alir yang ditunjukkan pada Gambar 1.Proses nitridasi dimulai dengan persiapan yaitupengkondisian alat (sistem plasma DC) sertapemotongan dan pemolesan bahan. Pengkondisianalat dimulai dengan pemompaan udara dari dalamtabung reaktor plasma sehingga mencapaikevakuman sekitar 5 10-2 Torr sesuai dengankemampuan pompa. Pemvakuman ini bertujuanuntuk membersihkan gas-gas dalam tabung dansebagai sarana penyedia tekanan rendah untukpembangkitan plasma dan proses pendeposisian.Setelah mencapai kevakuman sekitar 5 10-2 Torr,gas nitrogen dialirkan ke dalam tabung reaktorplasma dan sumber tegangan tinggi DC dihidupkanhingga terjadi proses ionisasi (terbentuk plasma).Peralatan untuk proses nitridasi dengan tehniknitridasi ion ditunjukkan pada Gambar 2.Peralatan tersebut dibuat sendiri di P3TM untukmengembangkan proses nitridasi dengan tekniknitridasi ion (ion nitriding).

Prosiding PPI - PDIPTN 2005Puslitbang Teknologi Maju - BATAN

Yogyakarta, 12 Juli 2005

Page 5: PENGERASAN PERMUKAAN BAJA ST 42 DENGAN ......pada mesin-mesin industri atau mesin-mesin perkakas serta tersedia dipasaran. Cara konvensional untuk memperbaiki sifat-sifat mekanik dari

Suprapto, dkk. ISSN 0216 - 3128 55

Gambar 1. Diagram alir proses nitridasi dengan teknik plasma lucutan pijar DC.

Prosiding PPI - PDIPTN 2005Puslitbang Teknologi Maju - BATAN

Yogyakarta, 12 Juli 2005

Page 6: PENGERASAN PERMUKAAN BAJA ST 42 DENGAN ......pada mesin-mesin industri atau mesin-mesin perkakas serta tersedia dipasaran. Cara konvensional untuk memperbaiki sifat-sifat mekanik dari

56 ISSN 0216 - 3128 Suprapto, dkk.

Gambar 2. Skema peralatan sistem nitridasi ion.

Pengujian Hasil Nitridasi

Pengujian/karakterisasi hasil nitridasimeliputi pengamatan perubahan kekerasan danpengamatan perubahan struktur mikro yang terjadi.Pengamatan perubahan kekerasan dilakukandengan mengukur kekerasan untuk berbagai variasitekanan (kevakuman) dan variasi waktu deposisi(nitridasi). Pengukuran kekerasan juga dilakukanuntuk bahan sebelum dan sesudah nitridasi untukmengetahui perubahan kekerasan hasil nitridasi.Dalam pengamatan struktur mikro untukmengetahui ke-dalaman difusi nitrogen yangdideposisikan dan perubahan struktur akibatterbentuknya nitrida hasil reaksi nitrogen denganlogam induk (substrat). Alat yang digunakan untukpengukuran kekerasan adalah Digital MicroHardness Tester jenis MXT 70 dan untukpengamatan struktur mikro adalah mikroskop optikZeis jenis Axiolab LR 66238 C.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Uji Kekerasan

Perubahaan nilai kekerasan akibatnitridasi

pada suatu logam disebabkan adanya perubahanstruktur mikro dan komposisi dari logam tersebut.Dalam proses nitridasi, unsur nitrogen yangditambahkan dapat merubah struktur mikro dankomposisi dari logam induk sehingga merubahsifat-sifat mekanisnya. Untuk proses nitridasidengan teknik nitridasi ion, atom nitrogendiionisasi dalam bentuk plasma sehingga terbentukpasangan ion nitrogen dan elektron. Ion nitrogenini dideposisi-kan pada permukaan logam yangdinitridasi sehingga membentuk lapisan tipisnitrogen, selanjutnya ion nitrogen berdifusi danlarut secara interstisi membentuk lapisan nitridalogam pada permukaan material induk. Nitridalogam ini mempunyai sifat kekerasan yang lebihtinggi dan struktur mikro yang berbeda dibandinglogam induknya. Untuk mengetahui perubahankekerasan dan struktur mikro permukaan hasilnitridasi dilakukan pengujian kekerasan danstruktur mikro. Pengujian kekerasan dilakukanuntuk substrat sebelum dinitridasi dan sesudahdinitridasi yang hasilnya ditunjukkan pada Gambar3 dan Gambar 4. Pada Gambar 3 ditunjukkan hasilpengujian kekerasan sebagai fungsi tekanan di

Prosiding PPI - PDIPTN 2005Puslitbang Teknologi Maju - BATAN

Yogyakarta, 12 Juli 2005

Page 7: PENGERASAN PERMUKAAN BAJA ST 42 DENGAN ......pada mesin-mesin industri atau mesin-mesin perkakas serta tersedia dipasaran. Cara konvensional untuk memperbaiki sifat-sifat mekanik dari

Suprapto, dkk. ISSN 0216 - 3128 57

dalam reaktor plasma pada berbagai kondisi waktunitridasi.

Gambar 3. Grafik angka kekerasan sebagai fungsi tekanan ruangplasma untuk berbagai variasi waktu deposisi.

Dari hasil pengujian (Gambar 3)ditunjukkan bahwa nilai kekerasan untuk substratsebelum dinitridasi adalah 214,7 KHN. Dalampendeposisian ini dilakukan untuk beberapa variasitekanan ruang plasma agar didapatkan kondisitekanan optimum saat deposisi. Makin tinggitekanan ruang plasma maka, makin banyak atom-atom nitrogen yang terdeposisi pada waktu yangsama

Variasi tekanan dimulai dari tekanan 0,5mbar sampai dengan 1,5 mbarr. Pada tekanan 0,5mbar sampai 1,2 mbar, makin tinggi tekananmakin tinggi kekerasan yang diperoleh. Hal inidisebabkan karena apabila tekanannya makin tinggimaka kerapatan atom nitrogen yang terionisasi danterdeposisi pada permukaan baja ST 42 makinbanyak, sehingga kemungkinan terjadinya difusidan larut secara interstisi membentuk FeN makinbesar. Pada tekanan 1,2 mbar diperoleh hasilkekerasan optimum, hal ini disebabkan karena padatekanan 1,2 mbar terjadi keseimbangan antara atomnitrogen yang terdeposisi kepermukaan danselanjutnya berdifusi serta larut secara interstisidengan atom Fe dari baja ST 42 untuk membentukfase baru yaitu FeN. Untuk deposisi pada tekanan1,5 mbar laju deposisi menjadi lebih besarakibatnya tidak terjadi kesetimbangan antara laju

deposisi, difusi dan kelarutan secara interstisinitrogen pada baja ST 42. Hal ini disebabkan lajudeposisi terlalu besar tetapi laju difusi dankelarutan secara interstisi atom nitrogen pada bajaST 42 (Fe) tidak dapat mengikuti laju deposisimaka akan terjadi penumpukan atom nitrogen padapermukaan karena laju deposisi lebih besar dari lajudifusi dan kelarutan secara interstisi. Dengandemikian kekerasan permukaan tidak naikmelainkan menurun sebagai akibat menumpuknyaatom nitrogen pada permukaan.

Pada Gambar 4 ditunjukkan hasil pengujiankekerasan sebagai fungsi waktu nitridasi padaberbagai kondisi tekanan di dalam reaktor plasma.

Dari hasil pengujian (Gambar 4)ditunjukkan bahwa nilai kekerasan maksimumdicapai pada waktu nitridasi selama 3 jam dantekanan 1,2 mbar. Untuk berbagai kondisi tekananmenunjukkan bahwa makin lama waktu nitridasi(untuk waktu 1 jam s/d 3 jam) kekerasan makinmeningkat. Hal ini disebabkan karena untuk waktunitridasi 1 jam atom-atom nitrogen yang terdeposisipada permukaan masih sedikit, jika waktu nitridasiditambah menjadi 2 jam maka jumlah atomnitrogen yang terdeposisi dan berdifusi makinbanyak. Atom-atom nitrogen yang berdifusi

Prosiding PPI - PDIPTN 2005Puslitbang Teknologi Maju - BATAN

Yogyakarta, 12 Juli 2005

Page 8: PENGERASAN PERMUKAAN BAJA ST 42 DENGAN ......pada mesin-mesin industri atau mesin-mesin perkakas serta tersedia dipasaran. Cara konvensional untuk memperbaiki sifat-sifat mekanik dari

58 ISSN 0216 - 3128 Suprapto, dkk.

kepermukaan baja ST 42 akan bereaksi denganatom-atom pada baja ST 42 (Fe) untuk membentukfase baru yaitu FeN yang mana FeN memiliki sifat

yang keras, sehingga penam-bahan nitrogen padabaja ST 42 mengakibatkan penambahan kekerasanpada permukaan baja ST 42 yang dinitridasi.

Gambar 4. Hubungan angka kekerasan sebagai fungsi waktu nitridasiuntuk berbagai variasi tekanan.

Pada waktu deposisi 4 jam bahkan meng-alami penurunan kekerasan hal ini dimungkinkankarena dengan tambahan atom nitrogen maka fasakeras akan bergeser menjadi fasa lunak atau atom-atom nitrogen tersebut hanya menumpuk padapermukaan yang tidak sempat berdifusi denganmaterial induk (Fe). Jadi makin lama prosesnitridasi tidak diperoleh kekerasan yang maksimalmelainkan kekerasan akan menurun.

Uji Metalografi

Dalam pengujian metalografi dilakukanuntuk mengamati struktur mikro dari bahansebelum dan setelah proses nitridasi. Untuk

pengamatan struktur mikro dari bahan yang sudahdinitridasi dilakukan 2 pengamatan. Pengamatanpertama untuk mengamati permukaan bahan yangsebelum di nitridasi dan pengamatan yang keduauntuk mengamati struktur mikro setelah dinitridasi.Struktur mikro setelah dinitridasi diamati pada 2tempat yaitu pengamatan struktur mikropermukaan dan struktur mikro penampangmelintangnya. Hasil pengujian struktur mikrountuk baja St 42 sebelum proses nitridasiditunjukkan pada Gambar 5. Fasa yang terdapatpada material terdiri dari ferrit (berwarnaterang/putih) dan perlit (berwarna gelap/hitam)yang mempunyai butiran kasar. Ferrit dan perlitdengan butiran kasar mempunyai sifat yang kurangkeras tetapi ulet.

Prosiding PPI - PDIPTN 2005Puslitbang Teknologi Maju - BATAN

Yogyakarta, 12 Juli 2005

Page 9: PENGERASAN PERMUKAAN BAJA ST 42 DENGAN ......pada mesin-mesin industri atau mesin-mesin perkakas serta tersedia dipasaran. Cara konvensional untuk memperbaiki sifat-sifat mekanik dari

Suprapto, dkk. ISSN 0216 - 3128 59

Gambar 5. Struktur mikro Baja St 42 sebelum proses nitridasi(Etsa nital 3 %, perbesaran 400 X).

Untuk hasil pengujian struktur mikromaterial baja St 42 setelah dinitridasi ditunjukkanpada Gambar 6 dan 7. Gambar 6 menunjukkanstruktur mikro pada permukaan baja ST 42 setelahproses nitridasi dengan plasma lucutan pijar DCpada suhu yang dapat dicapai 370 oC dan waktudeposisi 3 jam. Pada kondisi ini masih terdapatfasa ferrit dan perlit, tetapi fasa ferrit lebih halusdibandingkan sebelum di nitridasi.

Perubahan bentuk butir menjadi lebihhalus

disebabkan adanya larutan interstisi dari atomnitrogen ke dalam substrat (Fe) sehingga merubahfase dari Fe menjadi FeN serta memperhalus butir.Dengan berubahnya fase Fe menjadi FeN danbutiran-butiran menjadi halus, maka substatmempunyai kekerasan yang lebih tinggi dankekuatan yang besar dibanding kondisi semula.Lapisan perlit halus mempunyai daerah batas butirper satuan volume, yang lebih besar danmeningkatkan kekerasan serta kekuatan [2].

Gambar 6. Struktur mikro pada permukaan baja ST 42 setelah prosesnitridasi pada suhu mencapai 370 oC dan waktu deposisi 3 jam(Etsa nital 3 %, perbesaran 400 X).

Prosiding PPI - PDIPTN 2005Puslitbang Teknologi Maju - BATAN

Yogyakarta, 12 Juli 2005

Page 10: PENGERASAN PERMUKAAN BAJA ST 42 DENGAN ......pada mesin-mesin industri atau mesin-mesin perkakas serta tersedia dipasaran. Cara konvensional untuk memperbaiki sifat-sifat mekanik dari

60 ISSN 0216 - 3128 Suprapto, dkk.

Gambar 7. Struktur mikro pada penampang melintang dari material baja ST42 sesudah proses nitridasi dengan suhu mencapai 370 oC danwaktu deposisi 3 jam (Nital 3% , perbesaran 100 X).

Struktur mikro pada penampang melintangdari material baja ST 42 sesudah dinitridasi dengansuhu mencapai 370 oC dan waktu deposisi 3 jamditunjukkan pada Gambar 7. Dari Gambar 7terlihat jelas terjadi perubahan lapisan permukaanakibat nitridasi. Perubahan ini ditunjukkan denganadanya pertumbuhan butir yang halus padapermukaan. Menurut perhitungan tebal lapisannitrida besi akibat difusi atom nitrogen didapatkanX = 132,06 m, sedangkan hasil pengukuransebesar 150 m. Perbedaan antara perhitungan danpengukuran disebabkan karena dalam perhitunganhanya didasarkan pada faktor difusi termal saja danbelum memperhitungkan efek energi kinetik akibation nitrogen dipercepat oleh medan listrik yangterpasang diantara elektroda.

Terdeposisinya atom nitrogen dandilanjutkan dengan berdifusi dan bereaksi denganbesi (substrat) maka terbentuk nitrida besi. Nitridabesi ini mempunyai sifat yang sangat kerassehingga memperkeras permukaan substrat yangdinitridasi.

KESIMPULAN

Dari hasil proses nitridasi baja St 42 dengannitridasi ion dan berdasarkan hasil pengolahan datadapat disimpulkan sebagai berikut :

1. Kekerasan optimal pada hasil nitridasi denganplasma lucutan pijar DC sebesar 325,93 KHNdicapai pada suhu nitridasi 370 oC tekanan 1,2mbar dan waktu nitridasi 3 jam.

2. Peningkatan kekerasan dibanding dengan bahanawal sebesar 51,8%.

3. Dari hasil uji metalografi diperoleh perubahanstruktur butiran ferrit dan perlit yaitu berubahmenjadi butiran yang halus sehingga terjadipeningkatan kekerasan dan kedalaman difusisebesar 150 m sedangkan hasil perhitungan132,06 m.

DAFTAR PUSTAKA

1. KONUMA, M., 1992, Film Deposition ByPlasma Techniques, Spinger Verlag, Berlin.

2. VAN VLACK, 1995, Ilmu dan TeknologiBahan, Edisi V, Penerjemah Sriati Djeprie,Erlangga, Jakarta.

3. DIETER, G.E., 1987, Metalurgi Mekanik,Penerjemah Sriati Djaprie, Penerbit Erlangga,Jakarta.

4. ALEXANDER W.O, Dasar-dasar Metalurgiuntuk Rekayasawan, Penerbit Gramedia PustakaTama, 1991.

5. ----------------, Metal Hand Book, Heat Treating,Cleaning and Finishing Volume 2, 8 th Edition,ASTM, United State of America (1988).

6. WASA, K. and HAYAKAWA, S., 1992,Handbook of Sputter Depossition Tecnology,Nayes Publication, New York.

7. http://www. Key-to-steel.com/Article/Art117.htm, Nitriding

8. http://www. Industrialheating.com/ArticleInfor/0,2832,135158,00.htm, Ion Nitriding andNitrocarburizing of Sintered PM Parts.

Prosiding PPI - PDIPTN 2005Puslitbang Teknologi Maju - BATAN

Yogyakarta, 12 Juli 2005

Page 11: PENGERASAN PERMUKAAN BAJA ST 42 DENGAN ......pada mesin-mesin industri atau mesin-mesin perkakas serta tersedia dipasaran. Cara konvensional untuk memperbaiki sifat-sifat mekanik dari

Suprapto, dkk. ISSN 0216 - 3128 61

LAMPIRAN

Perhitungan Difusivitas

Koeffisien difusi

)(expTR

QDD o

Dari tabel diperoleh :

12410005,0 smDo

Q = 75 kJ/mol = 75.000 J/mol

R = 8,314 J/mol K

T = 643 K

Jadi koefisien difusi

)643/314,8

/75000(exp10005,0 24

KKmolJ

molJsmD

02944,14exp10005,0 4D

D = 4,3037 . 1013 m2s-1

Perhitungan Ketebalan Lapisan

Untuk waktu nitridasi (t) = 3 jam (10.800detik), maka ketebalan lapisan difusi (X) adalah:

tDX 2

ssmX 1080010037.42 1213

910359.42 X

X = 2 x 6,603 . 10-5 m

X = 1,3206 . 10-4 m ( 132,06 m)

Perhitungan Kedalaman Difusi Berdasar-kanPengujian (Pengukuran)

M

LX

dengan L adalah tebal lapisan difusi pada foto (L =15 mm) dan M perbesaran foto (M = 100 kali).

100

mm15X

μm150mm15,0 X

Pengujian Material Awal

Dari hasil pengujian material awal (baja St42) sebelum proses nitridasi dan perhitungandeviasi, diperoleh Angka kekerasan Knoop rerata,yaitu :

KHN = 214,7 0,49

Pengujian Kekerasan Pada Permukaan BajaSt 42 Setelah Proses Nitridasi

Tabel 4.1. Angka kekerasan Knoop rerata untuk material Baja St 42 hasilproses nitridasi dengan teknik plasma lucutan pijar DC.

Tekanan (mbar) Waktu deposisi (jam) KHN

5 10-1

1 277 17.14

2 285.85 12.14

3 288.35 9.08

4 246.425 9.57

8 10-1

1 289.65 9.6

2 289.65 3.21

3 295.3 3.247

4 248.25 20.66

Prosiding PPI - PDIPTN 2005Puslitbang Teknologi Maju - BATAN

Yogyakarta, 12 Juli 2005

Page 12: PENGERASAN PERMUKAAN BAJA ST 42 DENGAN ......pada mesin-mesin industri atau mesin-mesin perkakas serta tersedia dipasaran. Cara konvensional untuk memperbaiki sifat-sifat mekanik dari

62 ISSN 0216 - 3128 Suprapto, dkk.

1

1 282.625 3.525

2 293.825 13.649

3 308.15 2.585

4 252.725 12.935

1,2

1 290.45 18.1488

2 299.45 16.654

3 325.925 19.029

4 264.85 11.218

1,5

1 265.625 12.040

2 279.05 18.617

3 264.85 8.768

4 230.25 16.573

Tabel 4.2. Prosentase kenaikan kekerasan Baja St 42 sesudah proses nitridasidengan teknik plasma lucutan pijar DC.

Tekanan (mbar) Waktu deposisi (jam) Kenaikan kekerasan (%)

5 10-1

1 29.01723

2 33.13926

3 34.30368

4 14.77643

8 10-1

1 30.4844

2 34.90918

3 37.54075

4 15.62646

1

1 31.63717

2 36.85375

3 43.52585

4 17.71076

1,2

1 35.28179

2 39.47368

3 51.80484

Prosiding PPI - PDIPTN 2005Puslitbang Teknologi Maju - BATAN

Yogyakarta, 12 Juli 2005

Page 13: PENGERASAN PERMUKAAN BAJA ST 42 DENGAN ......pada mesin-mesin industri atau mesin-mesin perkakas serta tersedia dipasaran. Cara konvensional untuk memperbaiki sifat-sifat mekanik dari

Suprapto, dkk. ISSN 0216 - 3128 63

4 23.35817

1,5

1 23.71914

2 29.97205

3 23.35817

4 7.242664

TANYA JAWAB

Djoko Suprijanto Apakah komposisi kimia bahan dasar (row)

sudah diketahui.

Waktu nitridasi 3 jam optimum, mengapa lebihdari itu kekerasan justru turun?

Apakah kekerasan hanya dipengaruhi besarnyabutir bukan terbentuknya senyawa baru FeN,Fe2N?

Suprapto Komposisi kimia bahan dasar hasil pengujian Fe

= 98,51%, C = 0,26%, Si = 0,214%, dst.

Jika waktu nitridasi lebih dari 3 jam mengalamipenurunan kekerasan dimungkinkan karenatambahan nitrogen menyebabkan fasa kerasbergeser ke fasa lunak atau atom-atom nitrogenmenumpuk pada permukaan yang tidak berdifusidengan material induk sehingga menyebabkanpenurunan kekerasan.

Kekerasan dipengaruhi oleh perubahan butirdan senyawa baru yang terbentuk missal FeN,Fe2N atau Fe4N seperti yang Bapak ungkapkan,

tetapi senyawa baru yang terbentuk akanmerubah ukuran butir yang dihasilkan.

Hadi Suwarno Lapisan nitrid untuk steel cs biasanya sekitar

300 ~ 500 m.

Dapatkah ditampilkan hasil dari penelitianlain sehingga kita bisa membandingkannya?

Pada kondisi operasi Sdr. Tebal 150 mgrafik kekerasan menurun, padahalseharusnya belum. Mohon penjelasannya.

Suprapto Berdasarkan acuan tentang kedalaman lapisan

nitride adalah 300 s/d 600 m.[5]

Dari hasil nitridasi baru didapatkan kedalamannitridasi 150 m dan belum mencapai optimumsesuai jawaban no. 1. Hal ini disebabkankarena suhu operasi alat baru mencapai 370 oCdan seharusnya suhu nitridasi antara 500 oC s/d600 oC. Untuk mencapai suhu operasi inisedang disempurnakan peralatan tersebut (ionnitriding) dengan meningkatkan daya plasmayang dihasilkan.

Prosiding PPI - PDIPTN 2005Puslitbang Teknologi Maju - BATAN

Yogyakarta, 12 Juli 2005