Proseding Pertemuan don Presentasi l/miah P3TM-BATAN, Yogyakarta 25 -26 Juti 2000
103
Buku J
EFEK IMPLANT ASI ION KROMIUM TERHADAP OKSIDASI PADA BAHAN BESI DAN BAJA
LAJU
Lely Susita R.M., B.A. Tjipto Sujitno, Agus Santoso, Elin Nuraini PPNY-BATAN. J/. Babarsari Kotak Pas 1008. Yogyakarta 55010
ABSTRAK EFEK IMPLANTASI ION KROMIUM TERHADAP LAJU OKSIDASI PADA BAHAN BESI DAN BAJA. Pene/itian ini membahas tentang pengaruh imp/antasi ion kromium terhadap ketahanan oksidasi besi (Fe 95.5%) don baja (tipe A/S/ 304). Pengukuran ketahanan oksidasi di/akukan do/am media oksigen kering pada suhu tinggi dengan waktu pengamatan yang bervariasi. Untuk mengetahui ketah~nan oksidasinya di/akukan analisis pengurangan / penambahan berat. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa pada Fe 95.5% yang diimp/antasi dengan ion kromium pada energi 100 keV dan dosis ion 5 x 10/7 ionlcm2 dapat meninkatkan ketahanan oksidasinya hingga 28.68%. Sedangkan pada baja tipe A1S1304 yang te/ah mengandung kromium /9% justru menurunkan ketahanan oksidasinya. Hal tersebut mungkin disebabkan karena pada kandungan kromium yang lebih tinggi don temperatur yang tinggi memungkinkan nuk/easi Cr203 dan memicu pembentukan oksida spinel yang kurang protektif
ABSTRACT EFFECT OF CHROMIUM ION IMPLANTATION ON THE OXIDATION RATE OF IRON AND STEEL. Thisresearchdiscussed about theeffect ofchromiumion implantationon the oxidation rate ofiron (Fe 95.5%)and steel(AISI304). Themeasurementofoxidationresistanceofthesampleswascarried out in dry oxygenmediumat high temperatureconditionsand the time of!'bservationwas varied. The oxidation resistancecan be analyzedbythe changing ofweight beforeand after theprocess. The resultsshowedthat for iron materials(Fe 95.5%)implantedchromiumion at energy100keV and ion dose5 x 1017 ionlcm2 increasethe oxidationresistancein order of28.68%. But for AISI304 steelimplantedchromiumion at the sameconditions,the oxidationresistance decreased.Thisfenomenais causedbythefact that the content of chromiummaybe alreadyexceedthe solubility of base material and it will create the posibility of the formation ofoxydspinel whichlessprotective.
PENDAHULUAN K
ebanyakan temperatur
sudah
teroksidasi
oksidasi di
bahan untuk rekayasa lingkungan sehari-hari ada sedemikian
melindungi
udara
oksidasi
kering tidak
temperatur logam-logam
logam bereaksi
begitu
mendatangkan
tinggi,
bagaimanapun
meningkat.
ponen rekayasa mengalami lingkungan bertemperatur lama,
rupa sehingga di bawahnya.
komponen
tersebut
lapisan Adapula
lambat
sehingga
masalah. juga
Jadi jika
pada yang
tersalut dengan selaput oksida tipis. l.aju difusi menembus selaput ini sangat rendah clan sesudah pertumbuhan yang cepat dalam periode awal berlalu, laju penebalan akhimya menjadi nolo Dalam hal ini oksidasi berlangsung secara logaritma dengan waktu, x -In t (Fe di bawah 200 °C).
laju
Pacta oksidasi
sebuah
kom-
Ptnambahan bent
P.,.bolik
kontak langsung dengan tinggi untuk waktu yang mungkin
menjadi
tidak
berguna. Proses dengan
laju paling
temperatur merupakan korosi. Pad a umumnya begitu
selaput oksida
Pertumbuhan temperatur seperti Pad a temperatur
lambat
laju yang laju korosi
R.ktilWer
\\'.ktu
pada setiap
mengendalikan akan menurun
menebal. selaput oksida bergantung pada ditunjukkan pacta Gambar 1.
rendah,
permukaan
logam
akan
!(,hlbn.."
bent
Gambar 1. Pertumbuhanselaputoksida.
104
Buku I
Apabila selaput oksida tetap lekat ke permukaan dan menjadi penghalang terhadap difusi ion-ion logam atau ion-ion oksida melalui selaput tersebut, laju pertumbuhan oksida berlangsung secara parabolik denganwaktu, x2-t. Pada pertumbuhan garis lurus atau rektalinier, laju oksidasi konstan terhadap waktu, x-to Hal ini terjadi bilamana oksida tidak mampu merintangi masuknya oksigen ke permukaan logam, karena oksida yang terbentuk dari volume logam terlalu kecil untuk menyalut seluruh permukaannya. Tegangan yang besar, baik kompresi maupun tarik mungkin timbul dalam selaput oksida dan menyebabkan efek pengelupasan ketika selaput oksida pelindung retak atau terlepas. Pengelupasanberulang pacta kerak dapat mencegah terjadinya pcrtumbuhan parabolik bcrlcbihan dan oksidasi berlangsung mendekati laju pertumbuhan linier. Tegangan pacta selaput oksida sebanding dengan ratio Pilling- Bedworth, yaitu ratio antara volume oksida dan volume logam yang membentuk oksida. Ratio volume oksida yang terbentuk terhadap volume logam yang termakan karena memproduksi oksida merupakan faktor penting dalam menentukan laju korosi untuk rentang waktu yang lama. Apabila volume oksida lebih kecil daripada volume logam, oksida akan teregang pacta permukaan logam sehingga selaput oksida berpori dan tidak berfungsi sebagai pelindung. Jika volume oksida lebih besar daripada volume logam asalnya, maka oksida akan sinambung dan berfungsi sebagaipelindung. Oksidasi logam yang membentuk lapisan oksida mantap dan tidak mudah menguap akan berlangsung disertai penambahan berat yang bergantung pactawaktu. Bila oksida yang terbentuk mudah mengua~ maka hilangnya berat juga sejalan denganwaktu.(1 Menurut hukum Wagner-Hauffe, penambahan unsur paduan merupakan salah satu tara untuk mengubah laju oksidasi sehingga ketahanan terhadap oksidasi meningkat. Unsur paduan dapat ditambahkan karena merupakan pembentuk oksida yang kuat daD cenderung membentuk oksidanya sendiri pacta permukaan logam. Penambahan kromium memberikan hambatan yang baik terhadap oksidasi pacta besi daD baja. lni disebabkan karena kromium memperkaya lapisan paling dalam pacta selaput besi oks ida, bahkan membentuk lapisan kromium oksida tepat di bawah besi oksida. Lapisan-lapisan ini lebih tahan terhadap difusi ion atau elektron daripada lapisan besi oksida saja, sehingga laju oksidasi berkurang.{2) Untuk menambahkan unsur kromium ke dalam besi daD baja digunakan teknik implantasi ion
Proseding Perlemuan dan Presenlasi /Imiah P3TM-BATAN. Yogyakarla 25 -26 Jul; 2000
sehingga diharapkan dapat dihasilkan bahan besi dan baja yang lebih tahan terhadap oksidasi.
TATAKERJA Bahan
cuplikan
yang
digunakan
dalam
penelitian ini adalah besi (Fe 95,5%) dan baja (tipe AISI 304). Pada tahap awal pembuatan cuplikan dilakukan pemotongan bahan berbentuk lingkaran dengan diameter 15 mm dan ketebalan I mm menggunakan gergaji intan kecepatan rendah.
Sebelum diimplantasi terlebih dahulu permukaannya dihaluskan dengan menggunakan kertas amplas dari ukuran 360 mesh hingga
1600 mesh.
Kemudian
dilanjutkan dengan pemolesan menggunakan pasta intan ukuran I ~m sehingga diperoleh permukaan yang !talus dan mcngkilap. Untuk mcnghilangkan serbuk kertas amplas serta kotoran yang masih melekat, cuplikan dicuci dengan ail: maupun alkohol. kemudian dikeringkan. Sesudah selesai pencucian maka cuplikan siap diimplantasi, Proses implantasi
ion
kromium
ke dalam
cuplikan menggunakan akselerator implantasi ion energi rendah 150 keV. Selama proses, arus berkas ion kfomium yang dihasilkan oleh sistem sumber ion dibuat tetap sebesar20 ~A dan tekanan vakum dalam orde 10.5torr. Dalam pelaksanaan implantasi ion diterapkan energi ion kromium sebesar 100 keY dan dosis ion 5 x 1017ion/cm2, pengukuran ketahanan oksidasi dilakukan dalam media oksigen kering pada suhu tinggi dengan waktu pengamatan yang bervariasi, Untuk mengetahui ketahanan oksidasinya dilakukan analisis pengurangan/penambahanberat. Berdasarkan eksperimen di atas dibuat grafik hubungan an tara waktu
pengamatan
terhadap
pengurangan/
penambahan berat. Dari grafik tersebut diharapkan akan diperoleh kondisi ketahanan oksidasi Fe 95,5% dan baja tipe AISI 304.
HASIL DAN PEMBAHASAN Pada umumnya ketahanan oksidasi akan meningkat ketika lapisan oksida menebal. Oksidasi logam yang membentuk lapisan oksida mantap dan mudah menguapmenyebabkan penambahanberat. Hasil oksidasi dalam media oksigen kering pada suhu tinggi dengan waktu pengamatan yang bervariasi disajikan dalam Tabel I, 2, 3 dan 4. Sedangkan grafik hubungan antara waktu pengamatan terhadap pengurangan/penarnbahan berat dari keempat tabel tersebut ditampilkan pada Gambar 2, 3, 4 dan 5.
No.
Proseding Perlemuan don Presenlasi /lmiah P3TM-BATAN. Yogyakarla 25 -26 Juli 2000
Tabell.
Buku I
105
Hasi/ oksidasiuntukberbagai"arias; waktupada suhu900°C Fe 95,5%sebe/umimp/antasi. Waktu (jam)
Berat A wal (gram)
8
Berat Akhir (gram)
PenambahanBerat (gram)
1,3706
0,0120
2
16
1,4443
0,0857
3
24
1,4633
0,1047
4
32
1,5396
0,1810
-'-
,3586
0.2
C)
...,
to 0.15 ...
~
.c c
to J:
0.1
(U
.0
E 0.05
Q.
0
0
10
20
30
40
Gambar 2. Grajik hubungan waktu pengamatan terhadap pengurangan/penambahan berat pada Fe 95,5% sebe/um imp/antasi.
Tabcl 2. Hasil aksidasiu,?/ukberbagaivariasi wak/upada suhu900 °c Fe 95,5%sesudahimplan/asi. No
Waktu
(jam)
Berat A\val (gram)
8
Bcrat Akhir (gram)
Pcnambahan Bcrat(gram)
1,3139
0,0225
1,4587
0,1473
2
16
3
24
1,5124
0,2010
4
32
1,5362
0,2248
ISSN 0216-3128
,3114
Lely Susita R.M, dkk.
Buku I
106
proseding Perlemuan dan Presenlasi //miah P3TM-BATAN. Yogyakarla 25 -26 Ju/i 2000
-
~
C)
cu ~ Q)
.c c
~ ~
.I=.
.0
E f'3 C
~
Q.
0 Waktu (Jam) Gambar 3. Grafik hubunganwaktupengamatanterhadappenguranganl penambahan beratpadaFe 95,5%sesudahimp/antasi.
Dari data hasil,oksidasi Fe 95,5% seperti yang disajikan pada Tabel I dan 2 atau Gambar 2 dan 3, terlihat bahwa penambahan berat pada Fe 95,5% berlangsung secara linier terhadap waktu. Sebelum diimplantasi, penambahan berat pada suhu
900 °c untuk waktu pengamatan8 jam sebesar 0,0120 gram. Nilai ini berangsur-angsurnaik menjadi 0,0857 gram pada waktu pengamatan 16 jam dan 0,1047 gram pada waktu 24 jam serta 0,1810 gram pactawaktu 32 jam. Demikian halnya sesudah diimplantasi, penambahan berat pada Fe 95,5% semakin besarjika waktu pengamatan semakin ditambah. Untuk waktu
pengamatan 8, 16,24 dan 32 jam penambahan berat pada suhu 900 °c naik menjadi 0,0225, 0,1473, 0,2010 dan 0,2248 gram. Ini berarti bahwa efek implantasi ion kromium dapat meningkatkan ketahanan oksidasi pada Fe 95,5%.
Tabel 3.
Dari hasil oksidasi baja tipe AISI 304 yang disajikan pactaTabel 3 dan 4 serta Gambar 4 dan 5 terlihat bahwa pembentukan oksida pacta baja tipe AISI 304 mudah menguap sehingga menyebabkan kehilangan berat yang linier terhadap waktu. Hal tersebut disebabkan karena pacta kandungan kromium yang lebih tinggi dan temperatur yang tinggi memungkinkan nukleasi Cr20) dan memicu pembentukan oksida dengan struktur kristal tipe spinel yang kurang protektif:J,2) Pengurangan berat baja tipe AISI 304 sebelum diimplantasi untuk waktu pengamatan 8, 16, 24 dan 32 jam pacta suhu 900 °c sebesar 0,0172, 0,0168, 0,0164 dan 0,0162 gram. Sedangkan sesudah diimplantasi pengurangan berat untuk waktu pengamatan 8, 16, 24 dan 32jam sebesar 0,0311, 0,0217, 0,0209 dan 0,0194 gram.
Hasi/ oksidasi un/uk berbagai variasi wak/u pada suhu 900 °C baja /ipe AISI 304
sebe/umimp/an/asi.
Proseding PerlemUan don Presenlasi Ilmiah P3TM-BATAN, Yogyakarta 25 -26 Ju/i 2000
Buku I
107
-"" 0.0174
.9 0.0172
!~
0.017
.a
c 0.0168 (0
g' 0.0166 tU ...
= 0.0164 01 c
4J 0.0162
n.
0.016
10
0
20
30
40
Waktu Oam) Gambar 4. Grafik hubunganwaktu pengamatan terhadap penguranganl penambahanberat pada baja tipe A/S/ 304sebe/umimp/antasi.
Tabel 4. Hasil oksidasiuntuk berbagaivariasi waktupada suhu 900 °C baja tipe AfSf 304 sesudahimp/antasi.
No.
Waktu (jam)
Berat Awal (gram)
8 2
16
3 4
24
,3946
32
Berat Akhir (gram)
Penambahan Berat (grl\m)
1,3635
0,0311
1,3729
0,0217
1,3736 1,3752
0,0210 0,0194
C)
-0.03 ... ~
0.025
.Q c ~
0.02
g' 0.015
~ ~ Ct
0.01
~ 0.005
n.
0 0
10
20
30
40
Waktu (jam) Gambar 5.
[SSN 02[6 -3128
Graftk hubungan wak/u pengama/an /erhadap pengurangan/ penambahan bera/ pada bola /ipe AlSl 304 sesudah implan/asi.
Lely Susita R.M, dkk.
ProsedingPer/emuan dan Presen/asi I/miah P3TM-BATAN. Yogyakar/a 25 -26 Jut; 2000
Buku I
108
KESIMPULAN Oari analisa data hasil oksidasi dalam media oksigen kering pacta suhu tinggi dengan waktu pengamatan yang bervariasi dapat disimpulkan bahwa I.
2.
Pada umumnya ketahanan oksidasi akan meningkat ketika lapisan oksida menebal. Oksidasi logam yang membentuk lapisan oksida mantap dan tidak mudah menguap menyebabkan penambahanberat. Penambahanberat pada Fe 95,5% berlangsung secara linier terhadap waktu. Sebelum dan sesudah dilakukan implantasi ion kromium, penambahan berat Fe 95,5% untuk waktu pengamatan 32 jam pada suhu 900 °c masing-masing adalah 0,1810 gram (13,32 %) dan 0,2248gram (17,14%). Ini berartj efek implantasi ion kromium dapat meningkatkan ketahanan oksidasi pactaFe 95,5%. Pembentukan oksida pacta baja tipe AISI 304 mudah menguap sehingga menyebabkan kehilangan berat yang linier terhadapwaktu. Hal tersebut disebabkan karena pada kandungan kromium yang lebih tinggi dan temperatur yang tinggi memungkinkan nukleasi Cr20) dan memicu pembentukan oksida dengan struktur kristal tipe spinel yang kurang protektif. Pengurangan berat baja tipe AISI 304 sebelum dan sesudah diimplantasi untuk waktu pengamatan 32 jam pacta suhu 900 °c adalah 0,0162 gram (1,17%) dan 0,0194 gram (1,39%).
UCAP AN TERIMA KASIH Pacta kesernpatan ini penulis rnengucapkan terirna kasih kepada Bapak AI. Sunarto, Bapak Mujiyono dan Bapak Surnarmo yang telah rnernbantu dalam pelaksanaaneksperirnen. Mudahrnudahan budi baik tersebut rnendapat balasan dari Allah s.W.t. Arnien.
DAFTARPUSTAKA 1. TRETHEWEY, K.R., CHAMBERLAIN, J., "Corrosion for Students of Science and Engineering",Longman Group, U.K. Limited (1988). 2.
SMALLMAN, R.E., "Modern PhysicalMetallurgy", Butterworth& Co Ltd. (1985).
3.
GALERIE, A., "Modern PhysicalMetallurgy", Butterworth& Co Ltd. (1985).
4.
FONTANA, M.G., GREENE,N.D., "Corrosion Engineering", Mc. Graw Hill, New York (1978).
Lely Susita R.M, dkk.
TANYAJAWAB Fathurrachman -Mohon dijelaskan peran teknologi implantasi Cr ini dibidang manufaktur daD manfaatnya. Apakah hal ini dapat diterapkan dalam produksi baja?
Lely Susita RM -Peron teknologi implantasi kromillm yang dibahas dalam penelitian ini yailu dapat dihasilkan bahan besi yang lebih tahan lerhadap ok$idasi. sehingga dapat dimanjaatkan sebagai bahan tahan oksidasi diberbagai bidang. termasuk instalasi perlakuan panas. Man/aat lainnya dari paduan besilkromillm yang mengandung 12% kromium merupakan bahan yang baik untuk slldu-sudu pada turbin.
sedangkanyang mengandung 30% kromium digunakan dalam industri kimia don tanur. Dipihak lain. penambahan kromium juga memberikan hambatan yang baik terhadap ,vertzlf'lbullan oksidasi pada baja dan juga beberapa jenis paduan lain. Karena kromium memperkaya lapisan paling dalam pada se/aput besi oksida, bahkan me/l1bentllk lapisah kromium oksida (Cr203) tepal di bawah besi oksida (Fe203). Akan tetapi kemungkinan /lukleasi Cr203 akan terjadi pada kadar kronlium yang tinggi dan temperatur yang tinggi. Perlakuan panas yang mengllrangi kadar kromizlm pada permukaan akan memicu pembentllkan oksida spinel. Oksida ini kllrang protektif dibanding jika oksida yang terbentuk dari kromizlm.
Kamsul
Abraha
-Dalam tiap penanganan dengan implantasi, menarik kalau ketahanan terhadap oksidasi dikaitkan dengan info mengenai "depth profile" misalnya, karena proses oksidasi adalah terkait langsung dengan"charge distribution". Lely Susita RM.
-Sarannya dapat dipertimbangkan. Pada pene/itian sebe/umnyapernah di/akukan ana/isis distribusi konsentrasi unsur sebagai lungsi keda/aman penetrasiimp/antasiion pada bahan baja. Untukmengana/isisdistribusi konsentrasi ion yang terimp/antasi digunakan mikroskop e/ektronyang dikope/denganalaI ana/isisunsur (be/umtersediapada insta/asiP3TM). ISSN 0216-3128
