Lely Susita R. M., dkk.
ISSN 0216 - 3128
89
EFEK IMPLANTASI ION CERIUM TERHADAP SIFAT KETAHANAN KOROSI BAJA NIRKARAT TIPE AISI 316 L DALAM LINGKUNGAN ASAM SULFAT Lely Susita R.M., Tjipto Sujitno, Elin Nuraini, Sri Sulamdari, Suprapto PPPTM - BATAN
ABSTRAK EFEK IMPLANTASI CERIUM TERHADAP SIFAT KETAHANAN KOROSI BAJA NIRKARAT TIPE AISI 316 L DALAM LINGKUNGAN ASAM SULFAT. Telah dilakukan penelitian tentang efek implantasi ion cerium terhadap sifat ketahanan korosi baja nirkarat tipe AISI 316 L dalam lingkungan asam sulfat. Tujuan penelitian ini adalah dapat diperoleh baja dengan sifat ketahanan korosi yang lebih baik dengan melakukan implantasi ion cerium untuk berbagai variasi dosis dan energi. Dari percobaan yang telah dilakukan diperoleh hasil bahwa ketahanan korosi optimal dari baja nirkarat tipe AISI 316 L dicapai pada dosis ion 8,47 × 10 17 ion/cm2 dan energi 60 keV dengan arus korosi 0,42 µA/cm 2 (laju korosi 0,37 mpy). Berdasarkan hasil tersebut diperoleh peningkatan ketahanan korosi sebesar 1092,86% dibandingkan dengan baja sebelum diimplantasi.
ABSTRACT EFFECT OF IMPLANTED CERIUM INTO AISI 316 L STAINLESS STEEL ON ITS CORROSION RESISTANCE IN SULFERIC ACID MEDIA. Research on the effect of implanted cerium on the corrosion resistance properties of AISI 316 L stainless steel in sulferic acid media has been done. The aim of this research is to get a better corrosion resistance properties. To get this, a variation ion dose and energy of cerium ion has been implanted into targets. The experiment shows that the optimum condition was achieved at ion dose of 8,47 × 10 17 ion/cm 2 and energy 60 keV with the corrosion rate of 0.37 mpy. At this condition, the corrosion resistance increase in order of 1092.86%.
PENDAHULUAN
dan bebas oksigen, maka pada elektroda terjadi reaksi sebagai berikut :
B
aja merupakan bahan yang dapat dimanfaatkan secara luas untuk kepentingan industri, konstruksi bangunan, konstruksi kendaraan, peralatan militer maupun kepentingan rumah tangga. Hal ini dikarenakan oleh keunggulan baja dibandingkan bahan lain yaitu dalam hal kekuatan mekanik dan ketahanan korosinya. Oleh karena itu baja masih layak diteliti dan direkayasa untuk mendapatkan hasil yang lebih baik.(1)
(a) ketika baja terlarut
Mengenai korosi secara luas didefinisikan sebagai penurunan mutu logam akibat reaksi elektrokimia dengan lingkungannya. Suatu lingkungan yang korosif (seperti asam sulfat) dapat merusak logam pada bagian yang sukar diduga, sehingga akan memperpendek umur efektif logam. Banyak logam dapat dilarutkan oleh asam dan keasaman, dengan demikian erat sekali hubungannya dengan korosi. Pada peristiwa korosi baja dalam lingkung-an asam sulfat yang dilarutkan dalam air bebas mineral
Pada awalnya reaksi ini berlangsung pada permukaan baja, lama kelamaan reaksi yang terjadi akan masuk sampai jauh di bawah permukaan baja. Untuk mengurangi atau mencegah terjadinya reaksi korosi, peneliti mencoba mengatasinya dengan menambahkan elemen reaktif cerium yang dapat berfungsi sebagai penyetabil dan penambah daya lekat lapisan pelindung yang terbentuk. Karena asam sulfat adalah suatu agen pengoksidasi, cairan ini menyebabkan terbentuknya lapisan oksida
Fe → Fe2+ + 2e(b) ketika gas hidrogen terbentuk 2H+ + 2e - → H2 (gas) (c) reaksi keseluruhan Fe + 2H+ → Fe 2+ + H2 (gas)
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 - 8 Agustus 2001
ISSN 0216 - 3128
90
pelindung yang sangat tipis yang bertidak sebagai penghalang. Namun demikian lapisan ini sangat mudah pecah sehingga dapat menyebabkan korosi terjadi lagi secara cepat.(2) Penambahan elemen reaktif akan lebih efektif bila jumlahnya berkisar antara 0,1% sampai dengan 1% berat dan terdistribusi secara merata pada ketebalan kurang dari 500 . Sebab bila penambahan elemen reaktif lebih besar dari 1% atau kurang dari 0,1% dengan ketebalan lebih besar dari 500 , maka lapisan proteksi yang terbentuk mudah mengelupas, dengan demikian proses korosi justru semakin cepat.(3) Teknik implantasi ion dapat digunakan untuk menambahkan elemen reaktif dalam orde 0,1% sampai dengan 1% secara akurat dengan mengatur dosis ion. Sedangkan ketebalan kurang dari 500 dapat diperoleh dengan mengatur energi ion yang akan diimplantasikan.(4, 5) Tujuan dari penelitian ini adalah menyelidiki pengaruh dosis dan energi ion cerium terhadap sifat ketahanan korosi material AISI 316 L dalam media asam sulfat.
TATA KERJA Bahan cuplikan yang digunakan dalam penelitian ini adalah baja tahan karat austenitik tipe AISI 316 L berbentuk plat dengan ketebalan 2 mm. Pada tahap awal pembuatan cuplikan dilakukan pemotongan bahan berbentuk lingkaran dengan diameter 15 mm dan ketebalan 1 mm menggunakan gergaji intan kecepatan rendah. Sebelum diimplantasi terlebih dahulu permukaannya dihaluskan dengan menggunakan kertas amplas dari ukuran 120 mesh hingga 2000 mesh. Kemudian dilanjut-kan dengan pemolesan menggunakan pasta intan ukuran 1µm sehingga diperoleh permukaan yang halus dan mengkilap. Untuk menghilangkan serbuk kertas amplas serta kotoran yang masih melekat, cuplikan dicuci dengan air maupun alkohol kemudian dikeringkan. Sesudah pencucian selesai, maka cuplikan siap diimplantasi. Proses implantasi ion cerium ke dalam bahan cuplikan menggunakan akselerator implantasi ion energi rendah 150 keV buatan P3TM-BATAN pada Pelita V. Dalam pelaksanaan implantasi ion, dosis ion cerium divariasi dengan cara mengubah-ubah waktu implantasi pada arus berkas ion cerium tetap 10 µA. Selain dilakukan variasi dosis ion juga dilakukan variasi energi ion dari 60 keV hingga 100 keV dengan cara mengubah-ubah besarnya tegangan tinggi pemercepat berkas ion. Untuk mengamati perubahan ketahanan korosi sebagai efek dari implantasi ion
Lely Susita R. M., dkk.
cerium maka dilakukan pengujian korosi pada cuplikan sebelum dan sesudah di-implantasi dengan menggunakan potensiostat yang dapat meneliti secara kuantitatif terhadap sifat-sifat korosi bahan. Parameter utama untuk mengetahui ketahanan ko rosi suatu bahan adalah dengan mencari arus korosi. Dari hasil pengujian korosi dengan alat potensiostat PGS 201T, arus korosi dapat langsung diketahui, sehingga dapat digunakan untuk menghitung laju korosi pada dosis dan energi ion tertentu dengan menggunakan persamaan : [2] V = 0,13 Ikor BE / d V adalah laju korosi dalam satuan mili-inci per tahun (mpy), Ikor adalah kerapatan arus ekivalen dari cuplikan dalam satuan µA/ cm2, BE adalah berat dalam gram/ ekivalen, dan d adalah berat jenis cuplikan dalam satuan gram/ cm3. Dari data laju korosi material AISI 316 L dalam media asam sulfat dapat dibuat grafik laju korosi terhadap variasi dosis ion cerium pada energi 60 keV, 80 keV dan 100 keV. Kemudian dari grafik tersebut dapat diamati besarnya peningkatan ke-tahanan korosi. Sedangkan prosentase peningkatan ketahanan korosi (% P) dihitung dari persamaan :[3] % P = (V0 – V) / V × 100% V0 adalah laju korosi sebelum diimplantasi dan V adalah laju korosi sesudah diimplantasi.
HASIL DAN PEMBAHASAN Efek implantasi ion cerium terhadap sifat ketahanan korosi permukaan material AISI 316 L untuk berbagai variasi energi dan dosis ion diuji dengan alat potensiostat PGS 201T. Informasi yang diperoleh dari pengujian tersebut berupa kurva potensial E (mV) sebagai ordinat dan kerapatan arus Ikor (µA/ cm2) sebagai absis yang dapat langsung dibaca pada monitor. Untuk mengetahui perubahan kerapatan arus korosi sebelum dan sesudah diimplatasi, maka pengujian dilakukan pada permukaan material sebelum dan sesudah diimplantasi untuk berbagai variasi energi dan dosis ion cerium. Hasil pengujian korosi dan perhitungan laju korosi dari material AISI 316 L sebelum dan sesudah diimplantasi dengan ion ceriun untuk berbagai variasi dosis ion dan energi ditunjukkan pada Tabel 1 atau Gambar 1. Dari data pengujian korosi seperti yang disajikan pada Tabel 1 yang didukung Gambar 1, terlihat bahwa untuk bahan yang tidak diimplantasi
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 - 8 Agustus 2001
Lely Susita R. M., dkk.
ISSN 0216 - 3128
dengan ion cerium, kerapatan arus korosinya 5,01 µA/ cm2 dengan laju 4,47 mpy artinya bahan ter-sebut dalam setahun akan terkorosi seluruh permu kaannya sedalam 4,47 mili-inci. Sesudah dilakukan implantasi ion cerium dengan memvariasi besarnya energi dan dosis ion diperoleh bahwa ketahanan korosi optimalnya terjadi pada energi 60 keV dan dosis ion 8,47 × 1017 ion / cm2 dengan kerapatan arus korosi 0,42 µA/ cm2 dan laju korosi 0,37 mpy, berarti dalam setahun bahan tersebut akan terkorosi seluruh permukaannya sedalam 0,37 mili-inci. Hasil ini apabila dibandingkan dengan laju korosi sebelum
Tabel 1.
No.
91
diimplantasi terjadi peningkatan ketahanan korosi sebesar 1092,9%. Keadaan ini dimungkin-kan karena pemberian energi dan dosis ion yang memadai sehingga terbentuk lapisan pelindung yang melekat dengan kuat dan sulit untuk dilepaskan, dengan demikian proses korosi pada bahan tersebut kecil sekali. Pada dosis tersebut dan di atas energi 60 keV, ketahanan korosinya justru menurun, mungkin disebabkan karena lapisan pelindung yang terbentuk mudah mengelupas sehingga korosi cenderung meningkat.
Hasil pengujian korosi dan perhitungan laju korosi material AISI 316 L sebelum dan sesudah diimplantasi untuk berbagai variasi dosis dan energi ion cerium. Dosis ion (× 1017 ion/cm 2)
Energi (keV)
Rapat arus korosi (µ A/ cm2)
Laju korosi (mpy)
5,01
4,47
% Peningkatan
1
Sebelum implantasi
2
1,69
60
4,55
4,06
10,1
3
1,69
80
3,88
3,46
29,1
4
1,69
100
3,38
3,02
48,2
5
4,23
60
0,74
0,66
577,0
6
4,23
80
1,14
1,02
339,5
7
4,23
100
3,05
2,72
64,3
8
8,47
60
0,42
0,37
1092,9
9
8,47
100
0,55
0.49
810,9
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 - 8 Agustus 2001
ISSN 0216 - 3128
92
Lely Susita R. M., dkk.
Gambar 1. Grafik laju korosi material AISI 316L untuk variasi nilai dosis ion cerium pada energi ion 60 keV, 80 keV dan 100 keV.
KESIMPULAN Berdasarkan analisa data hasil pengujian korosi dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut : 1. Elemen reaktif cerium yang diimplantasikan pada material AISI 316L ternyata mampu me ningkatkan sifat ketahanan korosi dalam media asam sulfat, di mana besarnya peningkatan tergantung dari variasi energi dan dosis ion yang diimplantasikan. 2. Arus korosi material AISI 316L dalam media asam sulfat sebelum diimplantasi dengan ion cerium adalah 5,01 µA/cm2 (laju korosi 4,47 mpy). Sesudah diimplantasi dengan ion cerium untuk berbagai variasi energi dan dosis ion, ketahanan korosi optimalnya dicapai pada energi 60 keV dan dosis ion 8,47 × 1017 ion/cm2 dengan arus korosi 0,42 µA/cm2 (laju korosi 0,37 mpy). Dengan demikian diperoleh peningkatan ke-tahanan korosi sebesar 1092,86% terhadap material AISI 316L sebelum diimplantasi dengan ion cerium.
UCAPAN TERIMA KASIH Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Al. Sunarto dan Ibu Ratmi Herlani, Amd. yang telah banyak membantu pelaksanaan penelitian ini. Mudah-mudahan budi baik tersebut mendapat balasan dari Allah S.W.T. Amien.
DAFTAR PUSTAKA 1.
SMALLMAN, R.E., Moderm Physical Metal-lurgy, Butterworth & Co (Publisher) Ltd (1985).
2.
TRETHEWEY, K.R., CHAMBERLAIN, J., Corrosion for Students of Science and Engineering, Longman Group, UK Limited, Inggris, 1988.
3.
FONTANA, M.G., GREENE, N.D., Corrosion Engineering, Mc. Graw Hill, New York, 1978.
4.
HUBLER, G.K., SMIDT, F.A., Application of Ion Implantation to Wear Protection of Mate-rials , Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B78 (1985), 515-517.
5.
SIOSHANSI, P., Surface Modification of Indus-trial Components by Ion Implantation, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B37/38 (1989), 667-671.
TANYA JAWAB Supardjono M. − Berapa luasan sampel yang diimplantasi, apakah ion cerium dapat merata dalam luasan tersebut. − Mengapa dengan penambahan cerium dapat meningkatka n ketahanan korosi, bagaimana mekanismenya. Lely Susita R.M − Diameter sampel yang dibuat adalah 15 mm, maka luas sampel yang diimplantasi dengan ion cerium 1/4 (π) (15)2 mm2 ~ 1,76 cm 2. Sedang-kan berkas ion yang mengenai sampel ber -diameter lebih besar daripada diameter sampel sehingga ion cerium dapat merata dalam luasan sampel. − Karena kekuatan lapisan oksida yang terbentuk akibat penambahan elemen reaktif cerium sebesar 0,1% sampai dengan 1% berat dan terdistribusi merata pada ketebalan kurang dari 500 Å menjadi lebih stabil, sehingga dapat mengurangi terjadinya reaksi korosi dengan demikian meningkatkan ketahan korosi. Untuk menambahkan elemen reaktif cerium dalam orde 0,1 % sampai dengan 1 % dengan mengatur dosis ion, sedangkan ketebalan kurang dari 500 Å diperoleh dengan mengatur energi ion yang diimplantasikan . Toifur − Mohon penjelasan tentang Ikor, perlu makalah tertulis Ikor = intensitas korosi, yang benar kerapatan arus korosi atau apa. Mohon penjelasan. − Kalau Ikor semakin besar apa artinya? Sedangkan kalau Ekor semakin negatif apa artinya. Mohon penjelasan. Lely Susita R.M − Yang benar : Ikor adalah kerapatan arus korosi (ampere per meter persegi). Hasil pengujian korosi dengan alat potensiostat PGS 201T, intensitas arus telah dikonversikan menjadi kerapatan arus. − Ikor semakin besar berarti laju korosi semakin besar (laju korosi diukur/dihitung menurut kerapatan arus korosi), dengan demikian sifat ketahanan korosi bahan di dalam lingkungannya semakin berkurang, sedangkan Ekor semakin negatif ber arti laju korosi semakin kecil sehingga ketahanan korosi bahan semakin meningkat .
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 - 8 Agustus 2001
Lely Susita R. M., dkk.
ISSN 0216 - 3128
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 - 8 Agustus 2001
93
