uji fungsi sistem nitridasi ion untuk perlakuan permukaan ...

Suprapto, dkk. ISSN 0216 - 3128 109

UJI FUNGSI SISTEM NITRIDASI ION UNTUK PERLAKUANPERMUKAAN

Suprapto, BA. Tjipto Sujitno, SayonoPusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan- BATAN

ABSTRAK

WI FUNGSI SISTEM NITRIDASI ION UNTUK PERLAKUAN PERMUKAAN. Telah dilakukan ujifungsisistem nitridasi ion untuk perlakuan permukaan. Uji fungsi bertujuan untuk mengetahui kinerja sistemnitridasi ion yang telah dirancangbangun untuk meningkatkan kekerasan permukaan logam. Dalam ujifungsi dilakukan uji kevakuman, penggunaan sistem nitridasi ion untuk nitridasi cuplikan (baja poros) dankarakterisasi cuplikan hasil nitridasi. Hasi/ uji kevakuman menunjukkan bahwa kevakuman dengan tabungreaktor plasma dan tanpa tabung reaktor plasma tidak menunjukk7iiiperbroaan yang signifikan yaitu 3,7 ./0-2 mbar dan 3 :-1O-2-mbar sehingga-kel5Ocoran yang teijGdi cukup kecil. Uji penggunaan sistem nitridasi

ion menunjukkan bahwa: nitridasi dengan campuran lifasN2 dan H2 dapat mengoptimalkan proses nitridasisehingga diperoleh kekerasan yang lebih tinggi dibanding paaiJjiFOieSnitridasi dengan gas N2yaitu 868,5KHNdengan kekerasan 4,05 kali kekerasan sebelum dinitridasi, sedangkan dengan gas N2 didapatkankekerasan 523,5 KHN. Pengamatan kedalaman difUsi nitrogen dengan pengujian kekerasan penampangmelintang dan struktur mikro mendekati sama terbukti bahwa pengukuran kekerasan melintang padakedalaman lID J1I1I hampir sama dengan material induk, sedangkan pada pengamatan struktur mikro

perubahan butir terjadi sampai pada kedalaman 95 J1I1I. Dengan hasil ini sistem nitridasi ion dapatberfungsi dengan baik untuk proses nitridasi sehingga dapat meningkatkan kekerasan permukaan.

ABSTRACT

PERFORMANCE TESTING OF ION NITRIDATION SYSTEM FOR SURFACE TREATMENT. It has been

carried out a performance testing of ion nitridation system for surface treatment. The purpose of the testingis to check the performance of constructed ion nitridation system for improving of surface hardness of themetal. Testing done cover the vacuum, utilization of ion nitridation system for treatment of the samples andits characterization. It's found that the vacuum system with reactor tube can achieve in order of 3.7 X 1([2mbar while without reactor tube, the vacuum in order of 3 x 1([2mbar. From this result it can be concluded

that there is no leak of vacuum system. Utilization testing of the ion nitridation system done by introducingN2 and N2 + H2 gas into reactor tube. It's found that, if the reactive gas only N2, the improving hardnessthat can be achieved only in order of 523.5 KHN. While if the reactive gas is the mixing of N2 + H2' theimproving hardness that can be achieved in order 868.5 KHN. It meant that there is an increasing inhardness in order of 4.05 times. Observation of the diffusion depth of the nitrogen has been done bymeasuring the hardness of the cross section microstructure samples. It 'sfound that the diffusion depth of thenitrogen is in order of lID J1I1I. From micro structure observation, it's found that there are changing ingrain size in order of 95 J1I1I from the surface. From these result, it can be concluded that the constructedion nitridation system can be operated well.

Key Word: Materials science, Surface Treatment, Ion Nitridation.

PENDAHULUAN

Untuk mendukung perkembangan teknologiyang sangat pesat dibutuhkan bahan unggulyang mempunyai sifat-sifat sesuai dengan penggunaannya. Penggunaan bahan khususnya logamuntuk komponen mesin hams mempunyai sifatmekanik yang baik sesuai dengan jenis kebutuhannya. Pada umumnya sifat-sifat logam yang dibutuhkan untuk komponen mesin adalah keras, liatdan tangguh, tahan korosi dan aus serta mempunyai

koefisien gesek rendah. Untuk memenuhi kebutuhan logam yang mempunyai sifat-sifat ini sangatsedikit dibanding kebutuhan dan jika didapatkanharganya cukup mahal. Agar sifat-sifat yangdibutuhkan terpenuhi dan mudah didapatkan denganharga yang relatif murah, maka dalam pembuatankomponen-komponen mesin menggunakan logamyang memlmnyai sifat liat dan tangguh. Kemudiankomponen mesin tersebut dilakukan perlakuanpermukaan untuk mendapatkan sifat-sifat lain yangdibutuhkan. Beberapa jenis perlakuan permukaan

Prosiding PPI - PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2007

110 ISSN 0216 - 3128 Suprapto, dkk.

secara konvensional untuk meningkatkan sifatmekanik permukaan logam antara lain carakarburasi, nitridasi, karbonitridasi, nyala api, daninduksi Iistrik[i,2,3].

Dengan kemajuan teknologi untukmemperbaiki sifat mekanik permukaan logam, saatini mulai dikembangkan cara lain untuk membentuklapisan tipis dan memperbaiki sifat-sifat padapermukaannya. Cara tersebut meliputi metodeevaporasi, implantasi ion, plasma lucutan pijar RF,dan plasma lucutan pijar DC[4]. Pada penelitian inidigunakan metode plasma lucutan pijar DC yangdiaplikasikan untuk proses nitridasi yang disebutnitridasi ion. Kelebihan dari metode ini yaitu dapatmenghasilkan lapisan tipis baik dengan gas maupunbahan padat yang mempunyai titik leleh tinggi(plasma sputteringi5]. Rancangbangun sistemnitridasi ion ini telah dilakukan di PTAPB-BA TAN,untuk mengetahui kinerjanya maka dilakukan ujifungsi yaituuntuk proses nitridasi cuplikan daribahan baja agar sifat keras permukaannya dapatmeningkat.

DASAR TEOR!

Nitridasi

Nitridasi adalah suatu proses pengerasanpermukaan dengan menambahkan unsur nitrogenpada permukaan benda kerja (biasanya baja). Padaproses nitridasi secara konvensional dibedakanmenjadi 2 (dua) cara yaitu proses nitridasi dengangas (gas nitriding) dan proses nitridasi dengancairan (liquid nitriding). Sehubungan denganperkembangan teknologi telah dikembangkanteknologi terkini untuk proses nitridasi yaitu tekniknitridasi ion/plasma (ion/plasma nitridingi6,7,8].

a. Proses nitridasi dengan gas (gas nitriding)

Pada proses nitridasi ini menggunakan gasamonia (NH3), nitridasi dilakukan di dalam tanur(furnace) pada suhu antara 460°C sid. 600°C. Padasuhu ini amonia akan berdesosiasi sehinggamenghasilkan atom hidrogen dan nitrogen denganreaksi sebagai berikut:[6]

Dari desosiasi ini selanjutnya atom nitrogen larutpada permukaan benda yang dinitridasi sehinggamembentuk nitrida. Proses nitridasi pada umumnyaditerapkan untuk pengerasan peralatan (komponenmesin) yang terbuat dari b~a karbon medium danbaja paduan yang mengandung unsur-unsur :Al, Cr,Mo dan unsur lain yang memungkinkan bereaksi

dengan unsur nitrogen. Unsur-unsur baja tersebutakan bereaksi dengan nitrogen yang larut secarainterstisi sehingga membentuk nitrida-nitridaseperti: F~N, Fe3N, Fe4N, Cr2N, M02N maupunAIN. Penggunakan metode ini umumnya untukvalve guide, valve setting, gear, pinion, piston ring,dan spiral springs[6].

b. Proses nitridasi dengan cairan (liquid nitriding)

Pada proses nitridasi ini menggunakan cairangaram seperti cyanide-cyianite salts yang mengandung 60% - 70% NaCN (berat) dan 30% - 40%KCN (berat). Proses ini diawali pencairan garampada daerah suhu 560°C - 570 °c dan waktu I - 2jam untuk membasahi permukaan logam yangdinitridasi. Kemudian dilanjutkan dengan prosesnitridasi pada suhu antara 565°C - 595 °c denganwaktu sampai 12 jam. Untuk menghasilkannitrogen dengan reaksi sebagai berikut[6]:

4 NaCN + 202 ---+ 4 NaCNO

Sodium cyanate ini bersifat tidak stabil sehinggaterurai menghasilkan nitrogen sebagai berikut[6]:

Selanjutnya atom nitrogen larut pada permukaanbenda yang dinitridasi sehingga membentuk nitridaseperti pada nitridasi dengan gas NH3'

c. Proses nitridasi dengan teknik nitridasi ion/plasma

Cara lain yang digunakan dalam prosesnitridasi untuk pengerasan permukaan adalahdengan teknik nitridasi ion/plasma (ion/plasmanitriding)[6,7.8]. Teknik nitridasi ion/plasmatermasuk teknologi terkini yang digunakan untukproses pengerasan permukaan yang merupakansalah satu pengembangan pemanfaatan teknologiplasma. Pada nitridasi ion/plasma, proses nitridasidilakukan dengan mendeposisikan ion nitrogen padapermukaan yang dikeraskan. Untuk membentuk ionnitrogen dilakukan dengan cara memplasmakan gasnitrogen di dalam tabung reaktor plasma sehinggaterbentuk pasangan ion nitrogen dan elektron. Ionion nitrogen ini terdeposisi pada permukaan yangdikeraskan, sehingga terjadi difusi dan kelarutansecara interstisi membentuk lapisan nitrida. Jikayang dinitridasi adalah baja dengan unsur utama Femaka akan terbentuk lapisan nitrida besi (FeN) pactapermukaan. Nitrida besi (FeN) mempunyai sifatsangat keras sehingga membentuk lapisan keraspada permukaan baja yang dinitridasi.



Suprapto, dkk.

TATAKERJA

ISSN 0216 - 3128 111

Langkah-langkah dalam melakukan ujifungsi sistem nitridasi ion digambarkan dengandiagram alir yang ditunjukkan pada Gambar 1.Proses uji fungsi dimulai dengan persiapan yaitukonstruksi dan pengkondisian alat (sistem nitridasi

ion) serta prepa~likan Xaitu pemotongan danpemolesan bahl!n yang akan diIillfidasi. Konstruksimerupakan perakitan -bagian-bagian dari sistemnitridasi ion yang terdiri dari reaktor plasma, eatudaya, sistem vakum, instrumen kendali dan sumbergas Nz serta easis sehingga menjadi satu kesatuanyaitu sistem nitridasi ion. Pengkondisian alatdimulai dengan pengujian kevakuman danpembangkitan plasma untuk nitridasi. Pengujiankevakuman adalah untuk mengetahui waktu yangdiperlukan dalam persiapan nitridasi dan tingkatkevakuman akhir yang dapat dieapai. Tingkatkevakuman (P) sebagai fungsi waktu ditentukandengan persamaan[9]

dengan Pi adalah kevakuman awal (mbar), Pu

kevakuman akhir (mbar), Sp laju pemompaan teoritis(liter/detik), V volume ruang yang divakumkan(liter) dan t waktu pemvakuman (detik). Peralatanuntuk proses nitridasi dengan teknik nitridasi ionditunjukkan pada Gambar 2. Peralatan tersebutdibuat di PTAPB yang merupakan aplikasi plasmauntuk proses nitridasi. Pada uji fungsi ini jugadilakukan untuk nitridasi euplikan dari baja paros.Proses nitridasi dilakukan dengan menggunakan gasNz serta eampuran 50% Nz dan 50% Hz.

Pengujian hasil nitridasi

Pengujian hasil nitridasi adalah untukmengetahui fungsi sistem nitridasi ion untuknitridasi material dalam bentuk euplikan sehinggadapat merubah sifat mekanik permukaan. Pengujianini meliputi pengamatan perubahan kekerasan danpengamatan perubahan struktur mikro yang terjadi.Pengamatan perubahan kekerasan dilakukan denganmengukur kekerasan euplikan yang dinitridasidengan berbagai variasi tekanan, jenis gas danwaktu. Pengukuran kekerasan juga dilakukan untukbahan sebelum dinitridasi agar dapat diketahuiperubahan kekerasannya. Dalam pengamatanstruktur mikro untuk mengamati perubahan strukturmikro akibat terbentuknya nitrida hasil reaksinitrogen dengan logam induk (euplikan). Alat yangdigunakan untuk pengukuran kekerasan adalahDigital Micro Hardness Tester jenis MXT 70 danuntuk pengamatan struktur mikro adalah mikroskopoptik Zeis jenis Axiolab LR 66238 C.

Perakitan clan pengkonclisian sistemnitriclasi serta persiapan cuplikan

Proses nitriclasi variasi tekanan,jenis gas clanwaktu

Analisa hasil clanpenulisan laporan

Gambar 1. Diagram alir uji fungsi sistemnitridasi ion.

Gambar 2. Sistem nitridasi ion/plasma.

Prosiding PPI • POIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BAT AN


112- ISSN 0216 - 3128 Suprapto, dkk.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pengujian Kevakuman

Pengujian kevakuman adalah untukmengetahui tingkat kevakuman akhir tabung reaktorplasma di mana benda kerja yang dinitridasiditempatkan. Hal ini dilakukan karena sangatberkaitan dengan laju kebocoran dari tabung reaktorsehingga mempengaruhi jumlah atom pengotor padaproses nitridasi. Jika Icyukebocoran gas (udara) kedalam tabung makin besar maka menyebabkanjumlah atom pengotor pada proses nitridasi makinbesar dan menyebabkan hasil nitridasi tidakoptimum. Pengujian kevakuman ini dilakukandengan pompa rotari Edwards jenis E2M2 yangdigunakan pada sistem nitridasi ion dan hasilnyaditunjukkan pada Gambar 3. Dari hasil perhitungandengan persamaan (1) dan pengujian didapatkanperbedaan yang cukup signifikan. Dalamperhitungan, setelah divakumkan selama 15 menitdidapatkan kevakuman 0,0 I0031 mbar (1,0031 x10-1 mbar) sedangkan pada pengujian didapatkan0,16 mbar (1,6 x 10-1 mbar). Hal ini disebabkankarena dalam perhitungan didasarkan dalam kondisibersih untuk standar komponen sistem vakum yaitudengan mengabaikan terjadinya pelepasan gas(outgassing) serta kondisi pompa vakum sesuaidengan spesifikasi. Tetapi pada instalasi sulitdidapatkan kondisi standar tersebut karena kesulitandalam proses perIakuan komponen sistem vakumantara lain pemanasan dalam ruang vakum (bake)

untuk membersihkan permukaan komponen.Dengan demikian akibat dari kotoran-kotoran yangmenempel pada permukaan komponen setelahdivakumkan terjadi pelepasan gas (outgassing).Dengan adanya pelepasan gas maka beban pompabertambah dan sulit untuk mencapai kevakumansesuai dengan perhitungan. Hal ini terbukti darihasil pengujian (Gambar 3) yang menunjukkanselisih kevakuman dari hasil perhitungan danpengujian. Berdasarkan perhitungan kevakumanyang dapat dicapai adalah 1 x 10-2 mbar denganwaktu pemompaan 15 men it, sedangkan hasilpengujian didapatkan kevakuman 1,6 x 10-1 mbar.Jika tabung reaktor tersebut divakumkan terusdengan waktu pemompaan 40 menit dicapaikevakuman 5,7 x 10-2 mbar dan kevakuman

maksimum 3,7 x 10-2 mbar dicapai pada waktupemompaan 55 menit. Pompa yang digunakantersebut sudah mempunyai umur pakai sekitar 20tahun dan berdasarkan pengujian (tanpa tabungreaktor) kevakuman yang dicapai 3 x 10-2 mbar,sedangkan berdasarkan spesifikasi mempunyaikemampuan 5 x 10-3 mbar. Berdasarkan pengujiantersebut menunjukkan bahwa pompa sudahmengalami penurunan kemampuan yang disebabkankarena umur pemakaian. Untuk pengujian dengantabung reaktor dan tanpa tabung reaktor tidakmenunjukkan perbedaan kevakuman yang signifikan sehingga kebocoran yang terjadi cukup kecilwalaupun jika dibandingkan dengan perhitunganberdasarkan spesifikasi pompa yang digunakancukup signifikan.

--+- Perhitungan-0-- Pengukuran

1000

-100

"- CIS.c 10E -I:CIS1

E :::I~ 0.1CIS >cu~ 0.01

0.001

I

~

III

__ JIIIII

III,

I

2pI

~5II,,

", -

I

3,0

,

3,5

Waktu pemompaan (menit)

Gambar 3. Kevakuman sebagai fungsi waktu untuk pemompaan dengan pomparotari Edwards jenis E2M2.

Prosiding PPI - PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BAT AN


Suprapto, dkk. ISSN 0216 - 3128 113-Uji Kekerasan dan Struktur Mikro

Perubahaan nilai kekerasan akibat nitridasipada 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 merubah sifatsifat mekanisnya. Untuk proses nitridasi denganteknik nitridasi ion, atom nitrogen diionisasi dalambentuk plasma sehingga terbentuk pasangan ionnitrogen dan elektron. Ion nitrogen ini dideposisikan pada permukaan logam yang dinitridasisehingga membentuk lapisan tipis nitrogen,selanjutnya ion nitrogen berdifusi dan larut secarainterstisi membentuk lapisan nitrida logam padapermukaan cuplikan yang dinitridasi (materialinduk). Nitrida logam ini mempunyai kekerasanyang tinggi dan struktur mikro yang berbedadibanding logam induknya. Untuk mengetahuiperubahan kekerasan dan struktur mikro permukaanhasil nitridasi dilakukan pengujian kekerasan danstruktur mikro. Pengujian kekerasan dilakukanuntuk cuplikan sebelum dinitridasi dan sesudahdinitridasi yang hasilnya ditunjukkan pada Gambar4, Gambar 5 dan Gambar 6. Pada Gambar 4aditunjukkan hasil pengujian kekerasan sebagaifungsi tekanan di dalam tabung reaktor plasma padaberbagai kondisi waktu nitridasi dengan gas N2,

sedangkan pada Gambar 4b ditunjukkan hasilpengujian kekerasan pada kondisi yang hampirsama untuk nitridasi dengan gas campuran N2 danH2. Pada proses nitridasi dilakukan pada suhu 500°c untuk beberapa variasi tekanan di dalam tabungreaktor plasma agar didapatkan kondisi tekananyang optimum. Variasi tekanan dimulai daritekanan 0,6 mbar sampai 1,6 mbar untuk nitridasidengan gas N2 dan 1.2 mbar sampai 1,8 mbar untuknitridasi dengan campuran gas N2 dan H2 dengankomposisi 50 % N2 dan 50 % H2 (volume), masingmasing variasi dilakukan dengan kelipatan 0,2 mbar.Hasil pengujian kekerasan untuk cuplikan sebelumdinitridasi adalah 214,7 KHN. Sedangkan hasilpengujian cuplikan setelah dinitridasi menunjukkanbahwa makin tinggi tekanan reaktor plasma padaproses nitridasi, makin tinggi kekerasan yangdihasilkan dan didapatkan kekerasan maksimum523,5 KHN pada tekanan 1,4 mbar dan waktunitridasi 3 jam dengan gas N2 (Gambar 4a). Hal inidisebabkan makin tinggi tekanan reaktor plasmamakin tinggi rapat atom gas nitrogen sehinggamakin banyak yang terdeposisi dan menempel padapermukaan cuplikan selanjutnya berdifusi secarainterstisi membentuk lapisan nitrida besi (FeN).Setelah tekanan mencapai diatas 1,4 mbardimungkinkan terjadi kelebihan atom nitrogen yangterdeposisi dari pada yang berdifusi sehinggamenimbulkan penumpukan atom nitrogen padapermukaan dan menyebabkan penurunan kekerasan.Untuk hasil nitridasi dengan gas campuran N2 danH2 didapatkan kekerasan maksimum 868,5 KHN

pada tekanan 1,4 mbar dan waktu nitridasi 4 jam(Gambar 4b). Jika tekanan gas di reaktor plasmadinaikkan memberikan dampak yang sama sepertipada nitridasi dengan gas N2• Untuk proses nitridasidengan gas secara konvensional, gas yang digunakan adalah gas amonia (NH3). Pada suhu nitridasigas tersebut terdesosiasi membentuk nitrogen danhidrogen. Gas hidrogen pada proses ini untukmenurunkan tekanan partial gas nitrogen yangmengakibatkan potensial nitridasi lebih rendahsehingga memperkecil lapisan putih sampai padakonsentrasi nitrogen yang terlarut, lapisan putih inimenyebabkan kegetasan lapisan permukaansehingga dapat menyebabkan pengelupasan(spallingi6J• Dengan makin tipis lapisan putihmakin-baik proses nitridasi atau makin optimalnitridasi yang dihasilkan. Berdasarkan argumentasitersebut, pada proses nitridasi ion dengan campurangas N2 dan H2 dapat mengoptimalkan proses nitridasi sehingga diperoleh kekerasan yang lebih tinggidibanding pada proses nitridasi dengan gas N2•

Berdasarkan hasil pengujian kekerasantersebut didapatkan kekerasan 2,44 kali darikekerasan sebelum dinitridasi untuk nitridasi dengangas N2 dan 4,05 kali dari kekerasan sebelumdinitridasi untuk nitridasi dengan gas N2 dan H2.

Hasil ini cukup bagus karena pada umumnyakekerasan hasil nitridasi antara 2 sampai 3 kali (2,7kali) kekerasan sebelum dinitridasi[IOJ.

Pada Gambar 5 ditunjukkan hasil pengujiankekerasan sebagai fungsi waktu nitridasi padaberbagai kondisi tekanan di dalam reaktor plasma.Kekerasan hasil nitridasi dengan gas N2 ditunjukkanpada Gambar 5a, sedangkan untuk nitridasi dengangas campuran N2 dan H2 ditunjukkan padaGambar5b. Untuk nitridasi dengan gas N2 pada berbagaikondisi tekanan menunjukkan bahwa makin lamawaktu nitridasi (untuk waktu 1 jam sid 3 jam)kekerasan makin meningkat. Hal ini disebabkankarena untuk waktu nitridasi 1 jam atom-atomnitrogen yang terdeposisi pada permukaan masihsedikit, jika waktu nitridasi ditambah menjadi 3 jammaka jumlah atom nitrogen yang terdeposisi danberdifusi makin banyak. Atom-atom nitrogen yangberdifusi kepermukaan akan bereaksi dengan atomatom Fe untuk membentuk fase baru yaitu FeN yangmana FeN memiliki sifat yang keras, sehinggapenambahan nitrogen mengakibatkan penambahankekerasan pada permukaan yang dinitridasi. Padawaktu nitridasi 4 jam bahkan mengalami penurunankekerasan hal ini dimungkinkan karena dengantambahan atom nitrogen maka fasa keras akanbergeser menjadi fasa lunak atau atom-atomnitrogen tersebut hanya menumpuk pada permukaanyang tidak sempat berdifusi dengan material induk(Fe). Jadi makin lama proses nitridasi tidakdiperoleh kekerasan yang maksimal melainkankekerasan akan menurun.



114 ISSN 0216 - 3128 Suprapto, dkk.

-----'-~~-c~lI

II

II- -- 4

I

!6 300U)ftIj 200<II

~100

00.4

---+- t = 1 jam___ t=2jam----.- t = 3 jam~t=4jam

I

I I I I- ~- - ...,- - - - -,- - - - - r - - - - ...,-

I I I J

I I I I____ J I L- J _

I I I I! I I I! I I J

1.81.61.40.8 1.2

Tekanan (mbar)

a. Nitridasi dengan gas Nz

0.6

600

500

Z:I: 400~

1000

900

800

Z 700:I:~ 600

!6 500U)

E 400<II

~ 300~ 200

100

o

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2Tekanan (mbar)

b. Nitridasi dengan campuran gas Nz dan Hz

Gambar 4. Angka kekerasan sebagai fungsi tekanan untuk berbagai variasi waktu.

Untuk nitridasi dengan gas campuran Nz danHz pada berbagai kondisi tekanan menunjukkanbahwa makin lama waktu nitridasi kekerasan makin

meningkat. Nitridasi dilakukan mulai dengan waktu] jam sampai dengan 4 jam, walaupun telah dilakukan sampai 4 jam (Iebih lama dibanding denganwaktu nitridasi menggunakan gas Nz) belumdidapatkan kekerasan maksimum. Hal ini disebabkan karena dengan campuran Nz dan Hz member ikan potensial nitridasi lebih rendah[6J, sehinggamemerlukan waktu nitridasi lebih lama dan dimungkinkan memberikan kesetimbangan antara atom Nzyang terdeposisi dengan yang berdifusi sertabereaksi membentuk FeN. Dengan kesetimbanganini maka dihasilkan kekerasan yang lebih tinggi.

Pada Gambar 6 ditunjukkan hasil pengujiankekerasan sebagai fungsi kedalaman penetrasi hasilnitridasi. Pengujian ini dilakukan untuk nitridasidengan gas Nz 50 % (volume) dan Hz 50 %(volume) dengan 3 variasi tekanan di dalam tabung

reaktor plasma dan waktu nitridasi 4 jam. Pengujiandilakukan dengan mengukur kekerasan tiapperubahan kedalam 10 )..tmhingga kedalam 110 )..tm.Dari hasil pengujian profil kekerasan inimenunjukkan bahwa kekerasan cuplikan yang telahdinitridasi menurun sebagai fungsi kedalaman.Pada permukaan didapatkan kekerasan 868,5 KHN,sedangkan pada kedalaman 30 )..tm didapatkankekerasan 439 KHN serta pada kedalaman 60 )..tmdidapatkan kekerasan 279 KHN. Selanjutnya makinkedalam dari permukaan, kekerasan makinmendekati kekerasan material induk dan padakedalaman 100 )..tmdidapatkan kekerasan 233 KHNserta pada kedalaman 110 )..tmdidapatkan kekerasan226 KHN. Hal ini menunjukkan bahwa penetrasiakibat difusi nitrogen hanya terjadi pada permukaanmaterial dengan kedalaman yang terbatas yaitusekitar 100 )..tm sehingga hanya meningkatkankekerasan pada permukaan dan tidak mempengaruhisifat-sifat mekanik pada material induk.



Suprapto, dkk. ISSN 0216 - 3128

600

115

o

o

,,, I ,

- - _'_ - - _1- ' _I , ,I , I

- --! -- - -i - - --[- - - -II I I I

500

~ 400~~ 300I/)tel..~ 200GI~

100

Io L l

I II ,I ,

---r---1'", ,, ,, ,

0.5

-+-- P = 0.6 rrtJar___ P = 0.8 rrtJar-A- P = 1 rrtJar-*- P = 1,2 rrtJar---*- P = 1,4 rrtJar

1.5 2 2.5 3

Waktu Nitridasi (jam)

3.5 4 4.5

a. Nitridasi dengan gas N2

,___ L L _

, , ,L L I- I- _

I f I I I I I I___ L L I- 1-- L 1... 1- L _

I I I I r I J I

I I I t

--r---r---r---r---, , I--r---r---r-~I ,

--1----1--__ ~ ~_L_!... !...

, ,

____ L L L L_, ,

0.5

1000

900

800

Z 700

~ 600c::: 500~ 400GI

jt! 300~ 200

100

oo

-+-- P = 1.2 rrtJar

___ P = 1.4 rrtJar

-A- P = 1.6 rrtJar-*- P = 1,8 rrtJar

1.5 2 2.5 3

Waktu Nitridasi (jam)

b. Nitridasi dengan gas N2 dan H2

3.5 4 4.

Gambar 5. Angka kekerasan sebagai fungsi variasi waktu nitridasi untukberbagai tekanan.

1,000900

2"800

2700-; 600

:: 500~ 400

.: 300

~ 200100

I I I I I I I I

- - - T - - T - - ,- - -,- - -,- - -,- - -,- -, -+--P =1.2mbarl-

I t I I I f I I- - T - - 1 - - -,- - -,- - -,- - - , - -, --- P = 1,4mbar -

- + - - ~ - - -; - - -: - - -:- - - ~ - _!... -.- P = 1,6 moor -I I I , II I I I I t I I I

~ I I I L __ L __ l __ J __ J _I I I I I I I II I t I I I I I

I I I t

-I---+--~---II

I I I I I I I I I I I- - - r - - 1- - - -1 - - -I - - -I - - - 1- - - t- - - t- - - 1 - - "1 - - --1 - - -

I I I I I I I I I I I

o 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

Kedalaman (urn)

Gambar 6. Angka kekerasan sebagai fungsi kedalaman penetrasi untuk 3variasi tekanan dengan campuran gas N2 dan H2•

Prosiding PPI • PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BAT AN


1/6 ISSN 0216 - 3128 Suprapto, dkk.

Uji Metalografi

Dalam pengujian metalografi dilakukanuntuk mengamati perubahan struktur mikro daribahan setelah dinitridasi. Pengamatan ini dilakukandengan mengamati struktur pada penarnpangmelintangnya sehingga dapat mengamati didekatpermukaan dan kedalaman difusi nitrogen yangterjadi. Hasil pengamatan struktur mikro padapenampang melintang dari cuplikan sesudahdinitridasi pada suhu 500°C dengan waktu 4 jamditunjukkan pada Gambar 7. Dari Gambar 7 terlihatbahwa terjadi perubahan lapisan permukaan akibatnitridasi. Perubahan ini ditunjukkan dengan adanyapertumbuhan butir yang halus pada permukaan.Hasil pengukuran berdasarkan pengamatan strukturmikro (perubahan butir) didapatkan kedalamandifusi sekitar 95 ~m, sedangkan berdasarkanpengujian kekerasan penampang melintang sekitar100 ~m. Dengan hasil ini menunjukkan bahwakedalaman penetrasi pada suhu nitridasi 500°Cdengan waktu 4 jam sekitar 95 ~m sid I00 ~m.

95o::m

Gambar 7. Struktur mikro pada penampangmelintang dari cuplikan sesudahproses nitridasi pada suhu 500°Cdan waktu 4 jam.

KESIMPULAN

Dari hasil uji fungsi sistem nitridasi ionuntuk perlakuan permukaan dapat disimpulkansebagai berikut :

I. Pengujian kevakuman dengan tabung reaktorplasma dan tanpa tabung reaktor plasma tidakmenunjukkan perbedaan kevakuman yangsignifikan yaitu 3,7 x 10-z mbar dan 3 x 10-zmbar sehingga kebocoran yang terjadi cukupkeci I.

2. Proses nitridasi ion dengan campuran gas Nz danHz dapat mengoptima1kan proses nitridasisehingga diperoleh kekerasan yang lebih tinggidibanding pada proses nitridasi dengan gas Nzyaitu 868,5 KHN dengan kekerasan 4,05 kali

kekerasan sebelum dinitridasi, sedangkandengan gas Nz didapatkan kekerasan 523,5KHN.

3. Pengamatan kedalaman difusi nitrogen denganpengujian kekerasan penampang melintang danstruktur mikro mendekati sarna dan didapatkanterbukti bahwa pengukuran kekerasan penampang melintang pada kedalaman 110 ~m hampirsarna dengan material induk, sedangkan padapengamatan struktur mikro perubahan butirterjadi sampai pada kedalaman 95 ~m.

Dengan hasil ini sistem nitridasi ionberfungsi dengan baik untuk proses nitridasisehingga dapat meningkatkan kekerasan permukaan.

DAFTAR PUST AKA

I. DIETER, G.E., Metalurgi Mekanik, Penerjemah Sriati Djaprie, Penerbit ErIangga,Jakarta, 1987.

2. ALEXANDER W.O, Dasar-dasar MetalurgiUntuk Rekayasawan, Penerbit Gramedia,Jakarta, 1991.

3. m_m, Metal Hand Book, Heat Treating,Cleaning anad Finishing Volume 2, 8th Edition,ASTM, United State of America, 1988.

4. KONUMA, M., Film Deposition By PlasmaTechniques, Spinger Verlag, Berlin, 1992.

5. WASA, K. AND HAY AKA WA, S., HandBook of Sputter Depossition Tecnology, NayesPublication, New York, 1992..

6. SINHA,AX., Physical Metallurgy Handbook,Mc Graw-HiII, New York, 2003.

7. m m, Techcommentary Ion Nitriding;Improve Metallurgical Properties and IncreaseProductivitry Using Ion Nitriding, EPRI Centerfor Materials Fabrication, Vol. 2-No 5.,Colombus, 1994..

8. MUKHERJEE, S., Plasma Based NitrogenIncorporation Techniques for SurfaceModification, Current Science, VoI.83-No.3,Gandhinagar, India, 2002.

9. ROTH, A., Vacuum Technology, NorthHolland Publishing Company, New York,1979.

10. UEDA, M., GOMES, G.F., KOSTOY, K.G.,REUTHER, H., LEPIENSKI, C.M., SOARES,P.C., TOKAI, 0., AND SILYA, M.M., Results

from Experiments on Hybrid Plasma Immersion Ion ImplantationiNitriding Processing ofMaterials, Brazillian Journal of Physics, Y01.

34 no 4b, Sao Paulo, 2004.



Suprapto, dkk.

TANYAJAWAB

ISSN 0216 - 3128

- Tidak dapat digunakan untuk prosesmachining dan hanya digunakanpengerasan permukaan.

117-mikrountuk

Bambang Siswanto

Dengan menggunakan gas N2 & H2 menghasilkankekerasan sebesar 4 kalinya mengapa ini lebihtinggi jika dibandingkan tanpa H2•

Berapa perbandingan antara N2 & H2 yangoptimum.

Suprapto

Dengan campuran N2 & H2 menghasilkankekerasan lebih tinggi. karena jungsi gas H2

untuk menurunkan potensial nitridasi sehinggamenurunkan compound layer.

Campuran N2 dan H2 masing-masing 50% padaujifungsi ini.

Saefurrohman

Atas pertimbangan apa gas nitrogen ditambahkan, bukanjenis gas lain?

Apakah nantinya nitridasi cara ini bisadimanfaatkan dalam peralatan mikro machining.

Suprapto

- Untuk proses nitridasi diperlukan atom nitrogen'bukan atom-atom selain nitrogen. Prosesnitridasi juga dapat menggunakan gas NH3 ataucampuran N2 dan H2•

Suyamto

Apakah hanya untuk kekerasan saja, apa itu baik.

Bagaimana kalau dibandingkan dengankarbonisasi.

Suprapto

Untuk sifat keras saja kurang baik jikamempunyai sifat rapuh (britte) yang baik adalahkeras dan liat.

- Untuk karbonisasi diperlukan quenching dan jikakomponen dioperasikan pada suhu tinggi akanturun kekerasannya. Tetapi untuk nitridasi tidakperlu quenching sehingga kekerasan stabil.

Bambang G.S.

- Kalau dibandingkan dengan karbonisasi lebihbagus mana?

Suprapto

Untuk karbonisasi diperlukan quenching dan jikakomponen dioperasikan pada suhu tinggi akanturun kekerasannya. Tetapi untuk nitridasi tidakperlu quenching sehingga kekerasan stabil.



uji fungsi sistem nitridasi ion untuk perlakuan permukaan ...

Documents

Transcript of uji fungsi sistem nitridasi ion untuk perlakuan permukaan ...