Analisis Umur Pahat Bubut Baja KecepatanTinggi YangDiimpLantasiIon Nitrogen (Mudjijana)
ANALISIS UMUR PAHAT BUBUT BAJA KECEPATAN TINGGI YANG DIIMPLANTASI ION NITROGEN Mudjijana Pusat Studi Ilmu Teknik, Jurusan Teknik Me~in, J), Bulaksumur, UGM, Yogyakarta
ABSTRAK ANALISIS UMUR PAHAT BUBUT BAJA KECEPATAN TINGGI YANG DllMPLANTASI ION NITROGEN. Bahan HSS dibuat benda uji berukuran IOxlOxl0 mm untuk diimplantasi ion nitrogen dengan 6 variasi energi dan dosis ion. SampeJbasil implantasi ini diuji kekerasannya dengan mikro hardness Vickers dengan beban 10 grt~ kemudian dianaJisisuntuk mendapatkan kekerasan maksimal. Kondisi dosis dan energi pada basil nilai kekerasan Vickers maksimal, digunakan untuk mengimplantasi sisi potong pahat baja kecepatan tinggi. Pahat bubut yang tidak diimplantasi dan diimplantasi dipakai untuk membubutbaja karbon medium dengan6 variasi kecepatanpotong denganlaju pengumpanan0,09 mm/putaran dan tebalpemotongan 1 mm. Lebar keausanflank pahat (VB) bubut diukur dengan travelling microscope sampai mencapai VB = ...{},3 mm dan dicatat waktu pemakaiannya. Hasil penelitian menunjukkan nilai kekerasan maksimal dicapai pada energi 100 keY dan dosis ion 2,516 x 1016ion/cm2 yaitu 1219 VHN 0,01, dan kekerasan awal sebesar 595 VHN 0,01. Pahat bubut yang diimplantasi ion nitrogen pada energi dan dosis ini, pada kecepatanpotong 25 rnlmenit menghasilkan peningkatan umur pahat 83 0/0. Kala kunci : lmplantasi ion-nitrogen, dosis ion, hardness, baja kecepatan tinggi, umur rahat
ABSTRACT THE ANALYSIS OF TURNING TOOL LIFE ON NITROGEN-ION-IMPLANTED HIGH SPEED STEEL. HSS materials was made a specimenof 10 x 10 x 10 mm dimensions tor being implanted with nitrogen ion with 6 variations of energies and ion doses. The nitrogen ion implanted HSS were tested with mikro Vickers hardness of 10 grf, and were analyzed so that a maximum hardness number can be determined. The condition of ion energy and dose of the maximum hardness number was used to implant HSS turning tool cutting edge. Unimplanted and implanted turning tool were applied to turn a medium carbon steel with cutting speedvariations with teeding of 0.09 mmlrevolution and cutting thickness of 1 mm. 'Wear flank width on turning tool was measured using a travelling microscope until to VB 0 --{).3 mm and tool life was recorded. The result of the researchshows that maximum hardness number was tound at energy of IOD keY and ion dose of2.516 x 1016ion/cm2 that is 1219 VHN 0.01 trom the initial hardness number of595 VHN 0.01. The turning tool of nitrogen-ion implanted on this energy and dose, at cutting speed of 25 mlminute improved the tool lite by 83%. Key words: Nitrogen-ion implantation, ion dose, hardness,high speed steel, tool lite
PENDAHULUAN Umur pabat bubut mempakan tinjauan ekonomi paling penting pactapemotongan logam. Peningkatan kualitas pahat akan meningkatkan umur pahat yang menguntungkan [I]. Untuk meningkatkan umur pahat dari HSS akan dicoba bahan pahat ini diimplantasi ion w+ dengan menggunakan akselerator ion pada sisi potongnya. Tujuan penelitian ini adalah menganlati pengamh kecepatan potong (V) terhadap umur pahat (T) bubut HSS yang diimplantasi ion N2+ pada permukaan sisi potongnya. Kedalaman lapisan nitrida besi pada sisi potong pahat bubut dipengaruhi oleh variasi dosis ion N2+(D), energi kinetik rerata (Eo)' dan lamanya proses implantasi (t). Umur pahat ditentukan dengan lebar keausan VB~0,3 mm. Pahat bubut HSS banyak digunakan untuk membubut logam-logam lunak dan mempunyai komposisi C = 0,7 %, Cr = 4 %, V = 1 %, danW= 18%[2].
Telah diteliti profil kekerasan mikro basil implantasi ion nitrogen pada bahan karbida tungsten (WC) danbaja tempa [3].lmplantasi dibawah suhu200oC menghasilkan pelunakan karbida tungsten, tetapi implantasi pada suhu 500°C menghasilkan kekerasan yang berarti. Penganilan setelah implantasi ion tidak merubah kekerasannya. Implantasi ion pada karbida tungsten (WC) dapat memberikan kekerasan mikro maksimum dengan dosis ion 2 x 1017ionlcm2 pada energi 50 keY Sedangkan implantasi ion nitrogen pacta baja tempa (0,4%C, 0,8%Mn) pada suhu 225°C dengan dosis 7 x 1017ion/cm2pada energi 50 keY mernberikankekerasan mikro berarti sampai kedalaman 5 1.I.ffi.Telah dilakukan juga sturn tentang mikroanalitik permukaan 5 macam bahan baja (1018,52100, diimplantasi
ion nitrogen.
dengan Secondary
M-2, 440C, dan 304) yang Mikroanalisis
Ion Mass
Spectrocopy
dilakukan (SIMS)
147
Prosiding Pertemuanllmiah lbnu Pengetahuandan TeknologiBahan 2002 Serpong,22 -23 Oktober2002 menunjukkanbabwapada bahanbaja 1018dan 304 dapat diimplantasi ion nitrogen lebih banyak dibandingkan denganbahanbaja yang lain [4]. Imp1antasiion nitrogen pactabaja perkakas dapat memperbaiki ketahanan aus [5]. Implantasi ion nitrogenpadabahan pabatkrom tinggi akan mengurangi laju keausan karena akan terbentuk tegangan sisa tekan pacta lapisan permukaan berupa nitrida keras [6]. Telah dilakukan pula analisis unsur nitrogen yang terimplantasi pada bahanbesi (Fe) dengan FNAA ( Fast Neutron Activation Analysis) [7]. Pada penelitian ini diperoleh basil untuk dosis2 x 1017 ionlcm2 dan energi 30 keY, kandungan unsur N2+yang terimplantasi 8%atau 2,3% berat. Sudut tata1 dan jalan bebas pahat bubut bervariasi tergantung pacta macam bahan yang dikerjakan. Untuk bahan yang dibubut daTibahan baja karbon medium dibuat suduttatal-1 00-150 dan sudut jalan bebas 60-120 [8,9]. Untuk pemotongan kasar dianjurkan 60-80 SFPM (Surface Feet Per Minute) daD untuk pemotongan akhir dianjurkan 100 SFPM. Sedangkan umur pahat tergantung pada suhu pemotongan,patahnya ujung pabat, dan keausanpabat. Panas pada ujung pahat akan menyebabkan pahat menjadi lunak dan pabatakan menjadi aus dan patahnya ujung pahat. Patahnya ujung pahat disebabkan gaya pemotonganujung pahat terlalu besardan pabatkurang sempurna ikatannya dapat terjadi getaran daD chatter. Pemilihan kecepatan potong pahat tergantung pacta jenis bahan, besar pemakanan, dalarnnya pemotongan, kualitaspermukaanakhiryang diinginkan, kondisi mesin, jenis pahat potong dan pendinginan yang digunakan. Kriteria umur pabat didefinisikan sebagainilai ambang ukuran keausanpabat. Kriteria yang direkomendasikan oleh ISO untuk mendefinisikan umur pabat efektifpada pabat baja kecepatan tinggi atan pabat keramik ada1ah (1) Kegagalankatastropik, (2) VB~0,3 rnrnjikakeausan flank teratur dalam zona B, (3) VBrnlX= 0,6 mm jika keausanflanktidak teratur dalam zona B. Untuk keansan pahat ujnng tungga1 da1am operasi pembubutan
lSSN 1411-221,
ditunjukkan pada Gambar 1 [1,10]. Sedangkan umur pabat bubut adalah waktu pemotongan yang diperlukan untuk mencapaikriteria umur pabat. Antara umur pabat (T) dengan kecepatanpotong (V) , Taylor telah menentukan hubungan yang dapat ditulis sebagaiberikut [I], Yr'=C
dengan,n V T C
(1)
= Konstanta = Kecepatan potong,mlmenit = Umur pabat,menit = Konstanta
Kecepatan potong pahat dihitung dengan persarnaan [1,S,II] V=7tDn/lOOO
(2)
dengan, V = kecepatanpotong , mlmenit D = diameterbenda keIja, m n = putaran benda keIja, Rpm Pahat bubut yang diimplantasi ion w+ akan menjadi lebih kerasdan mempunyai ketahanan aus lebih tinggi sehingga dapatmenaikkanumur pahat. Baja tahan karatyang diimplantasi ion nitrogen dapat meningkatkan kekerasansampai200% padadosis 2,79906xl 017ion/cm2 dan energi 50 keY [12]. Demikian pula baja karbon medium yang diimplantasi ion w+ dapat menaikkan kekerasan sampai 24% pada dosis ion 4,4785 x 1017 ion/cm2danenergi60keV[13]. Teba1lapisan keras dipengaruhi oleh dosis ion nitrogen (D), energi kinetik rata-rata (Eo), dan lamanya implantasi ion. Besarnya dosis ion dapat ditentukan dengan persamaan[14], D = It/eA
(3)
dengan, D = dosis ion, ionlcm2 t = lamanya implantasi , detik I = arus ion, Ampere e = muatan keunsuran elektron, 1,6 x 10-19 coulomb A = luas berkas ion, 19,63 cm2
METODEPENELITIAN
~A.A
VI.f ~ Gambar 1. Macam.maca~ keausan pahat ujung tunggal [1].
148
Pahat bubut ujung tunggal dan operasi pembubutan ditunjukkan pada Gambar 2. Bahan pahat bubut HSS dibuat 36 benda uji 10 x 10 x 10 mm diimplantasi ion N2+ dengan akselerator ion menggunakan 6 variasi dosis ion (D) dan energi (Eo) untuk mencarikekerasanmikro Vlckers(VHN) maksimal. Tebal lapisan tipis nitrida besi dan bentuk keausan dibagian sisi potong pahat bubut basil implantasi ion nitrogen diamati dengan SEM. Selanjutnya bahan HSS dengan ukuran penampang lOx 10 mm dan panjang 120 mm dengan mesin gerinda potong pahat dibuat 36 buah pahat bubut seperti ditunjukkan pada Gambar 2 dengan sudut jalan bebas (a.) = 8:r:1°, sudut tatal (y) = 10,5:f:1,5°,sudutpotong (~) = 73,5:f:1.5°, 18buah
4nalisis Umur Pahat Bubut Baja KecepatanTinggi YangDiimplantasi Ion Nitrogen (Mudjijana)
diimplantasi ion w+ pada sisi potongnya pada kondisi energi dan dosis ion yang memberikan nilai kekerasan Vickers maksimal. Delapan belas (18) buah pabat yang tidak diimplantasi clan 18 diimplantasi dipakai untuk membubut bahan baja karbon medium dengan variasi
Tabell. Angka kekerasanVickers pada permukaan bahan pahat HSS setelah diimplantasi ion nitrogen berbagai energi (a) clan diimplantasi ion nitrogen berbagaidosis(b). a. AngkakekerasanVickers denganberbagaivariasienergiEo
kecepatan potong (V) dengan laju pemakanan 0,09 mm/putaran dan tebalpemotongan 1 mm. Umur pahat ditentukan saat Ie bar keausan mencapai VB ~ 0,3 mm diukur dengan travelling microscope. Selanjutnya analisis semua data pengujian dan dibuat kurva umur pahat (T) sebagai fungsi kecepatan potong (Y)o
b. AngkakekerasanVickers denganberbagaidosision
No
l..
Oasision 1
O "lnl.:__'__~ IOll/cm
I X IV
1 2 3 4 5
Kekerasan (VHN) IOgrf I
0.2795 0.8386 1.62 2.516 3.354
.6
896 925 1004 1219 969
4.193
735
,
1200 C'
;,
1000
0
l"
"" "
800
-600 ;.
.. '" '" .. "
food'~t Gambar
2. Pahat
bubut ujung tunggal
clan operasi
pembubutan [1].
... " ~
400
200 0
50
RAsa DAN PENBAHASAN PengujianKekerasanMikro Pada Tabell a,b dan Gambar 3a,b disajikan basil pengujian kekerasan Vickers beban 10 grf pada perrnukaan bahan pahat HSS yang non implantasi dan diimplantasi ion nitrogen pada 6 variasi dosis ion dengan energi .100 keY. Kekerasan awal bahan yaitu 595 VHN 0,01. Pada energi 100 KeV kondisi angka kekerasanmaksimal sebesar1015 VHN 0,01, sedangkan padadosis ion2,516 x 1016ion/cm2dicapaikondisi angka kekerasanmaksimalsebesar1219VHN 0,01. Peningkatan angka kekerasan disebabkan ion-ion nitrogen yang mempengaruhiposisi intertisi diantara atom-atombahan pahat HSS. Fenomena ini akan mengakibatkan pengerasan lamt padat intertisi, disebabkan atom nitrogen mempunyai diameter atom = 0,071 nm, sedangkan atom Fe = 0,1241 nm, W = 0,1367 nm, dan Cr = 0,1249nm .Bila jumlah ion nitrogentelah melampaui batas kelarutan, maka berangsur-angsur akan terbentuk rase barn Fe-N (Fe4N) yang merniliki sifat lebih keras dari rase induknya. Terbentuknya rase barn tersebut tergantung pada dosis ion yang diberikan. Selain itu, selama proses implantasi ion nitrogen juga terbentuk cacat-cacat sisipan yang akan menimbulkan medan tegangan dalam, akibatnya memberikan kontribusi terhadap peningkatan kekerasan permukaaan bahan.
100
150
Energi,KeV Gambar 3a. Grafik hubungankekerasanVickers(VHN) terhadap energi kinetik rata- rata ion (Eo).
Gambar 3b. Grafik hubungan kekerasan Vikers (VHN) terhadap dosis ion nitrogen (D)
Pada Tabella,b dan Gambar 3a,bjuga tampak bahwa peningkatan kekerasan permukaan sebanding dengan peningkatan dosis ion dan energi. Hal ini karena peningkatan dosis ion berarti semakin banyakjumlah ion nitrogen yang terlarut sehinggaakan mulai tetbentuk rasebarn Fe4Nwalaupun belum optimal. Tetapi dengan bertambahnya dosis ion setelah kekerasan optimal, justru kekerasannya akan semakin menurun, hal ini dimungkinkan karena selama proses implantasi terjadi
111Q
Prosiding Pertemuan llmiah lbnu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2002 Serpong, 22 -23 Oktober 2002
ISSN 1411-2213
kenaikan suhu benda kerja (::!: 125 DC) yang akan mengakibatkanion-ion nitrogen berdifusi ke tempatyang lebih dalam sehingga konsentrasi ion nitrogen pada permukaan bahan akan berkurang yang akan mengakibatkan penurunan kekerasanpermukaannya. Pengamatan Tebal Lapisan Tipis Nitrida Besi Jangkauanproyeksi ion nitrogen yaitu masuknya ion nitrogen ke substratpabat bubut sampai ion berhenti secara teori dapat dihitung daD mendapatkan nilai: 1801,65x 2 = 3603 Ao[15].Pengamatanteballapisantipis nitrida besi dengan SEM ditunjukkan pada Gambar 4 yang berjarak -1 mm dari ujung pahat. Bagian tampak putih merupakan lapisan nitrida besi pacta sisi potong pabat sekitar 1~ = 10000 A, berarti actaselisih sekitar 6397 A dibandingkan dengan jangkauan proyeksi ion secara teoritis. Hal ini terjadi karena selama proses implantasi ion mungkinjuga terjadi proses difusi ionion nitrogen ke lapisan lebih dalam pada bahan substrat HSS, proses difusi tersebut dipercepat dengan naiknya
Gamba, 4. Pengamatanlapisan nitrida besi pada sisi potong pahat bubut HSS
suhuselamaproses implantasi (:i:125°C).
PengujianUmur Pabat Pada Gambar 5 disajikan grafik hubungan kecepatan potong (Y; mlmin) vs umur pahat (T, mill). Padagrafik terlibat jelas untuk kecepatanpotong rendah 25 m Imenit pahat HSS yang diimplantasi ion nitrogen mempunyai umur pahatyang lebih lama 83 % daTipada yang tidak diimplantasi. Hal ini sesuaiharapan bahwa bahan yang diimplantasi akan meningkat kekerasannya daDmenambahumur pabat. Namun pada saatkecepatan potong sekitar 48 mlmenit umur pakai pahat yang diimplantasi daDtidak diimplantasi umurnya mendekati sarna. Hal ini dapat terjadi disebabkan pada saatproses pemotongan dengan pahat diimplantasi dengan kecepatan potong diatas 48 mlmenit ujung pahat yang diimplantasi mengalami penumpukanpanasdan karena panasyang semakin meninggi maka pada saat tertentu lapisan nitrida besi akan lepas dari logam induknya. Hasil pengamatan pada proses pembubutan menunjukkanbahwa peningkatan keausanrelatiflambat pada awal pembubutan daDmelonjak tajam pada saat lapisan implan telah lepasdaTi logam induknya. Namun demikian walaupun keausan terukur telah memenuhi syaratmaksimum, pabat bubut yang diimplantasi masih mampu melakukanpengirisan dengan baik, karena pada sisi sudut tatal yang juga diimplantasi tidak mengalami keausan yang berarti, sehingga walaupun ujung pahat sudahaus danjIankwear sUdahlebar, tetapi ujungpahat belum tumpul daDmasih cukup tajam untuk melakukan pengirisan. Hal ini tampak dati permukaan benda kerja yang relatif masih halus daDtidak adanya getaran akibat daTikegagalan katastropis. Sedangkanuntuk pabatyang tidak diimplantasi, denganbertambahnyakeausanujung pabat,keausanjIank juga semakinlebar. Sisi potongnya juga semakin tumpul akibat dari terkikisnya sisi sudut tatal, sehingga untuk pahat non implan jika pabat sudah 150
500 "2 400 0) E 300 +;i
~ c-
o..
~ E
:>
200 100 -r-
0
20
30
40
50
Kecepatan Potong, m/menit Gambar 5. Grafik hubungankecepatanpotong (V) daD Umur pahat(T)
aus tidak dapat dipergunakan lagi. Hasil analisis data yang disajikan pada Tabel 2 dengan persa111aan Taylor hubungan kecepatanpotong (V) daDumur pahat (T) untuk pahat tidak di implantasi adalah VT 0,6526 = 882,88 sedangkan untuk pahat
Analisis Umur Pahat Buhut Baja KecepatanTinggi lanK Diimplanta.fi Ion Nitrogen (Mudjijana) diimplantasi adalah VTO4577 = 386,9. Keduanilai C dan n untuk pabat tidak di implantasi dan pabat di implantasi menunjukkan perbedaan. Nilai ini akan berbeda pula untuk setiap perlakuan yang dilaksanakan pada saat
[6].
[7].
pengujian.
KESIMPULAN Dari basil-basil penelitian dan pembahasandapat disimpulkan sebagaiberikut. I.Implantasi ion nitrogen pada sisi potong pahat HSS pada dosis ion 2.516 x 1016ion/cm2daD energi 100keY menghasilkankekerasan 1219 VHN 0,01 daTikekerasan awal sebesar595 VHN 0,0 1 ataumengalarni peningkatan kekerasansebesar105%. 2. Umur pahat HSS yang diimplantasi ion nitrogen mengalami peningkatan sekitar 83% pada kecepatan potong 25 mlmenit , daD mengalami penurunandengan
[8].
[9].
[10].
bertambahnya kecepatan potong. [II].
UCAPAN TERIMA KASm [12]. Ucapan terima kasih disampaikan kepada Lembaga Penelitian UGM yang telah memberi dana penelitian melalui anggaran DIKS-UGM; Kontrak No.; 1726/JOl/PL.O6.05/2001, tangga12 April 2001, P3TM BATAN Yogyakarta daD BATAN Puspiptek Serpong, CITS-PSIT UGM, saudara Sularso Pani, Rakhmat P. Siregar, Joko Suprijanto, Bambang, daD semua pihak yang telah membantu dalam penelitian ini.
[13].
DAFTARPUSTAKA
[14].
[1]. BOOTHROYD, G., Fundamental of Metal and
[15].
Alachining Tools, International Student Edition, McGraw-Hill, Tokyo, Japan,(1975),112. [2J. BRICK, R.M., PENSE, R.W., GORDOM, R.B., Structures and P;operties of Engineering Materials, Fourth Edition, International Student
[3].
Edition, McGraw-Hili, Kogakusha, Tokyo, Japan, (1977). DEARNALE'r: G.,MINTER, F.J.,ROL,P.K. SAINf, A., THOMSON, V., Microhardness and Nitrogen Profiles in Ion Implanted Tungtens Carbide and Steels, Nuclear Instruments and Methodx in
Physics Research,87/8, (1985),188-194. [4]. DODD, C.G., MEEKER, G.P.,BAUMANN, S.M., NORBERG, J.C., LEGG, K.O., Surface Microanalitycal Studiesof Nitrogen Ion Implanted Steel, Nuclear In.\"trumentx and Methodx in Physic.\"Re.\"earch,87/8, (1985), 219-227. [5]. IWAKI, M., Formation of Metal Surface Layers with High Performance by Ion Implantation, Nuclear Instruments and Methods in Phyxics
KRSEK, A., OSANNO, P.H.,PROSTREDNIK, D., URL : http//aum ift tuwien ac.at/cite html (Online, diakses 8 September2000). NURAINI, E., SUSITA, L., SUDJATMOKO, SUYITNO, T., Analisis Unsur Nitrogen Yang Terimplantasi pada Bahan Fe dengan FNAA, Makalah Pada Pertemuan /lmiah Penelitian Dasar I/mu Pengetahuan don Teknologi Nuklir, Yogyakarta,(1997). JOHNSON, H. V., General Insdustrial. Machine Shop,Third Edition, Chas.A.Bennett Co, Illinois, USA, (1979). POLUKlllN, P.,GRINBERG, B., KATENIK, S., ZHADAN, V, VASILYEY; D., Metal Proces... Engineering, Fourth Printing, Mir Publisher, Moscow, (1977). VENKATESH, VC., CHANDRASEKARAN, H., Experimental A-!ethodesin Metal Cutting, Eastern EconomyEdition, PrenticeHall, New Delhi, (1982). GERLING, H., HELLER K.H.,AIIAboutMachine TooL.., Willey EasternLimited, New Delhi, (1965). MUDJlJANA, SUDJATMOKO, SUYITNO, SUDJATMOKO, A., Karakterisasi Implantasi Ion Nitrogen Pada Bahan AISI SS 304 L, Pro...iding Seminar Na.\"ional Mikroskopi don Mikroanali...i.\"III. ISMM,Serpong. (1998). MUDJIJANA, Pengaruh Variasi Kecepatan Potong Terhadap Umur Pahat Bubut Baja KecepatanTinggi Yang Diimplantasi Ion Nitrogen, Laporan Penelitian, Fakultas Teknik UGM, Yogyakarta,(2001). RYSSEL, H., RUGE, I., Ion Implantation, John Willey & Sons, Chichester,Great Britain, (1986). MUDJIJANA, Pengaruh Nitridasi Permukaan Poros Baja pada Ketahanan Lelah, Mediagama, Jurnal Lembaga Penelitian Universitas Gadjah Mada, ll(I), (2001).
TANYAJAWAB Yunanto,P3TM-BATAN Pel1anyaan
t. Mengapa pacta kecepatan tinggi kemampuan memotongmenurun'? Jawaban 1. Padakecepantinggi akan timbul /terjadi panasyang tinggi pada sisi potong pahat yang akan menyebabkanlapisan tipis nitrida besi daya ikatnya melemahsehingga menurnnkankemampuanpotong.
Research,837/38, (1989),661-666.
Ke Daftar Isi 151
