EFEK LAPISAN NITRIDA TERHADAP KETAHANAN KOROSI PERMUKAAN MATERIAL UNTUK PROSTETIK

ISSN 1411-1349

Volume 13, Januari 2012

EFEK LAPISAN NITRIDA TERHADAP KETAHANAN KOROSI PERMUKAAN MATERIAL UNTUK PROSTETIK Lely Susita R.M., Sudjatmoko, Wirjoadi, Bambang Siswanto, Ratmi Herlani Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Jl.Babarsari Kotak Pos 6101 Ykbb, Yogyakarta 55281 Email : [email protected]

ABSTRAK EFEK LAPISAN NITRIDA TERHADAP KETAHANAN KOROSI PERMUKAAN MATERIAL UNTUK PROSTETIK. Material yang digunakan dalam piranti ortopedik atau prostetik, terutama SS 316L dan Ti6Al-4V pada pemakaian jangka panjang mempunyai kecenderungan terjadinya korosi dalam lingkungan tubuh yang agresif. Dalam penelitian ini telah dilakukan implantasi ion nitrogen pada permukaan material SS 316L dan Ti-6Al-4V untuk meningkatkan ketahanan korosi permukaan material tersebut dalam lingkungan Hanks yang disimulasikan mirip dengan cairan tubuh manusia. Hasil uji korosi menunjukkan bahwa laju korosi cuplikan SS 316L dan Ti-6Al-4V mengalami penurunan cukup besar, yang berarti bahwa cuplikan hasil implantasi ion nitrogen mempunyai ketahanan korosi yang lebih baik. Ketahanan korosi optimum cuplikan SS 316L diperoleh pada dosis ion 5×1016 ion/cm2 dan energi 80 keV, sedangkan untuk cuplikan Ti-6Al-4V diperoleh pada dosis 5×1016 ion/cm2 dan energi 100 keV, dimana pada kondisi ini tidak muncul kurva anodik, dimungkinkan telah terjadi peningkatan ketahanan korosi yang permanen pada cuplikan Ti-6Al-4V. Kata Kunci : lapisan nitrida, ketahanan korosi, implantasi ion, prostetik

ABSTRACTS EFFECT OF NITRIDE LAYER ON THE CORROSION RESISTANCE OF PROSTHETIC MATERIALS. Materials used on orthopedics instruments especially SS 316L and Ti-6Al-4V for long term application tend to corrode in corrosive environment body. In this research, it has been carried out an implantation of nitrogen ions into SS 316L and Ti-6Al-4V surfaces for improving their corrosion resistance in Hanks environment simulated like human body liquid. It’s found that the corrosion rate of implanted samples decrease significantly, it meants that the nitrogen ion implanted samples has a better corrosion resistance. The optimum corrosion resistance of SS 316L sample was achieved at 80 keV of energy and 5×1016 ion/cm2 of ion dosage, while for Ti-6Al-4V sample was achieved at 100 keV of energy and 5×1016 ion/cm2 of ion dosage. In this conditions there is no appearance of anodic curve, it may be caused by the increasing permanent of corrosion resistance of Ti-6Al-4V sample. Keywords : nitride layer, resistance corrosion, ion implantation, prosthetic

PENDAHULUAN

M

aterial biomedik atau disebut biomaterial adalah material sintetis yang digunakan untuk membuat prostetik atau piranti cangkok ortopedik (orthopedic implant devices). Pencangkokan piranti ortopedik telah meningkatkan kualitas hidup jutaan orang hingga sekitar seperempat abad yang lalu. Biomaterial yang digunakan dalam pencangkokan prostetik berfungsi untuk menggantikan atau memperbaiki fungsi dari bagian tubuh manusia yang mengalami kontak secara kontinyu dengan cairan tubuh untuk jangka waktu pendek atau panjang. Tubuh manusia adalah suatu lingkungan yang agresif untuk metal dan paduannya karena berupa larutan mengandung garam yang teroksigenasi dengan kandungan garam sekitar 0,9% pada pH ∼ 7,4 dan pada suhu sekitar 37 oC (1,2). Apabila suatu

90

prostetik atau piranti cangkok ortopedi dicangkokkan ke dalam tubuh manusia, cangkokan tersebut secara kontinyu tercelup dalam cairan jaringan tubuh. Semua biomaterial berbasis metal, termasuk material yang paling tahan korosi, mengalami kerusakan atau degradasi secara kimia dan elektrokimia pada kelajuan tertentu, yang diakibatkan oleh lingkungan tubuh manusia yang kompleks dan korosif. Oleh karena itu biomaterial tersebut harus biocompatible dan tidak menyebabkan terjadinya perangsangan atau penolakan oleh jaringan tubuh, dan harus nontoxic dan noncarcinogenic, serta dapat menahan beban secara berulang dalam lingkungan tubuh yang agresif. Biomaterial tersebut adalah suatu material atau kombinasi Ada tiga paduan metal, yaitu stainless steel, paduan kobalt-khrom, titanium dan paduannya Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 13, Januari 2012 : 90 -100


adalah material yang pada umumnya digunakan untuk pencangkokan ortopedi (3). Austenitic stainless steel sesuai dengan spesifikasi F138 ASTM dan stainless steel 316L pada saat ini banyak digunakan sebagai material prostetik atau untuk pembuatan piranti cangkok ortopedi (4). Selain stainless steel, vitallium yang mengandung kobalt, khrom dan nikel, dan juga paduan titanium-aluminium-vanadium banyak digunakan dalam piranti cangkok ortopedi (5) . Korosi adalah salah satu isu utama yang mengakibatkan terjadinya kegagalan dalam pencangkokan piranti ortopedi. Sifat dasar dari lapisan oksida pasif yang terbentuk dan sifat-sifat mekanik dari material merupakan beberapa kriteria penting untuk melakukan pemilihan material alternatif atau pengembangan material baru. Ditinjau secara klinis, peningkatan terbesar dapat dibuat dengan pemilihan material yang lebih baik, perancangan dan kendali mutu untuk mengurangi atau kalau mungkin mengeliminasi korosi dalam material prostetik atau piranti cangkok ortopedi. Modifikasi permukaan stainless steel 316L dan paduan Ti-6Al-4V dapat dilakukan dengan menggunakan beberapa teknik modifikasi atau rekayasa permukaan bahan. Teknik modifikasi permukaan yang dapat dimanfaatkan antara lain adalah implantasi ion untuk memperbaiki unjuk kerja piranti cangkok ortopedi dan memperbaiki kualitas hidup penerima cangkok ortopedi.

ISSN 1411-1349

untuk menghilangkan kotoran hasil penghalusan dengan kertas abrasif. Sesudah proses pencucian kemudian cuplikan dikeringkan, dimasukkan dalam plastik klip dan disimpan dalam desikator untuk menghindari kemungkinan terjadinya oksidasi. Proses implantasi ion Implantasi ion adalah suatu teknik yang memungkinkan untuk mengubah berbagai sifat permukaan dari suatu material. Pada proses implantasi ion, atom-atom yang akan diimplantasikan harus diionisasikan dalam suatu sistem sumber ion, kemudian dipercepat dalam medan listrik dan selanjutnya diimplantasikan pada permukaan material untuk prostetik. Parameter yang berpengaruh terhadap hasil implantasi ion adalah dosis ion, energi ion, massa atau jenis ion, dan massa atau jenis material yang diimplantasi. Pada penelitian ini dilakukan implantasi ion nitrogen pada cuplikan Ti6Al-4V dan SS 316L dengan variasi parameter dosis ion 1×1015 ion/cm2 hingga 2×1017 ion/cm2 dan energi ion 60 keV hingga 100 keV untuk mendapatkan lapisan nitrida pada permukaan material prostetik dengan sifat ketahanan korosi yang optimal. Analisis struktur mikro dan komposisi unsur

TATA KERJA

Secara teoritis kedalaman penetrasi ion-ion yang diimplantasikan pada permukaan material sangat tipis yaitu dalam orde ribuan Angstrom. Dengan demikian perubahan sifat permukaan material baik perubahan struktur mikro, struktur kristal maupun perubahan komposisi unsur hanya terjadi pada lapisan tipis di permukaan material. Mengingat dimensi dari hasil implantasi ion tersebut, maka pengamatan struktur mikro dan komposisi unsur hanya dapat diamati dengan menggunakan SEM (Scanning Electron Microscope) dan EDAX (Energy Dispersive Analysis X-Ray).

Pembuatan cuplikan

Pengujian korosi

Material yang digunakan untuk cuplikan adalah stainless steel AISI (American Iron and Steel Institute) 316L (komposisi 69% Fe, 18% Cr, 10% Ni dan 3% Mo) dan paduan Ti-6Al-4V dengan ketebalan 2 mm dipotong dalam bentuk silinder dengan diameter 2,6 cm dan bentuk persegi dengan sisi 1 cm. Cuplikan silinder untuk pengujian korosi dan cuplikan persegi untuk pengujian struktur mikro dan komposisi unsur. Potongan cuplikan tersebut dihaluskan permukaannya menggunakan kertas abrasif mulai dari ukuran 800 mesh hingga 1200 mesh, dilanjutkan pemolesan dengan pasta intan pada kain beludru sehingga dihasilkan permukaan yang sangat halus dan mengkilap. Sesudah proses penghalusan, kemudan pencucian cuplikan dengan menggunakan alkohol dalam ultrasonic cleaner,

Korosi merupakan penurunan mutu logam akibat reaksi elektrokimia dengan lingkungannya. Korosi yang terjadi pada logam tidak dapat dihindari, tetapi dapat dicegah dan dikendalikan sehingga struktur atau komponen mempunyai masa pakai yang lebih lama. Ketahanan korosi cuplikan ditentukan menggunakan alat uji korosi potensiostat PGS-210T untuk mengukur intensitas arus korosi (Ikor) cuplikan didalam lingkungan berupa larutan Hanks yang disimulasikan mirip dengan cairan tubuh manusia. Penentuan harga Ikor secara tepat sangat diperlukan, karena Ikor sebanding dengan laju korosi cuplikan dalam lingkungannya. Hal ini sesuai dengan persamaan laju korosi dalam mils (0,001 in) per year (mpy) :

Pada penelitian ini telah dilakukan implantasi ion nitrogen pada dosis ion 5×1016 ion/cm2 dan variasi energi ion 60 keV, 80 keV, 100 keV untuk SS 316L, serta dosis ion 5×1016 ion/cm2 dan variasi energi ion 70 keV, 80 keV, 100 keV untuk Ti-6Al4V agar diperoleh peningkatan ketahanan korosi pada permukaan material untuk prostetik.

EFEK LAPISAN NITRIDA TERHADAP KETAHANAN KOROSI PERMUKAAN MATERIAL UNTUK PROSTETIK Lely Susita R.M., dkk

91

ISSN 1411-11349

V Volume 13, Janu uari 2012

I kor (EW ) A. d dengan 0,,13 adalah faktor f konverrsi metrik dan waktu, Ikorr adalah rapaat arus korosii (µA/cm2), EW E adalah berrat ekivalen (g/ekivalen), A adalah luuas penampangg cuplikan yang y terkorossi (cm2) dan d adalah dennsitas material cuplikan (g/ccm3). L Laju korosi = 0,13

HASIL PENELITI P IAN Dalam penelitiann ini digunakann stainless steeel AISI 3166L dan paduan p Ti-66Al-4V untuuk pencangkookan piranti orrtopedik, kareena mempunyyai sifat biocompatibility yaang baik, kuatt dan ketahanan korosi yanng baik. Akkan tetapi paada pemakaian jangka pannjang terjadi interaksi anttara permukaan piranti orrthopedik denngan lingkunngan fisiologgis sekitarnya dan permukkaan piranti orthopedik itu i sendiri. Innteraksi tersebbut mengakibaatkan terjadinyya peristiwa korosi dan//atau keausann yang dappat menyebabkkan kegagallan pencanggkokan. Untuuk mengatasi permasalaahan tersebut dilakukan modifikasi permukaan stainless stteel 316L dan paduan Tii-6Al-4V denngan teknik implantasi ioon untuk mendapatkan sifatt permukaan yang y lebih baiik, seperti geesekan ketahaanan aus yanng tinggi atau kekerasan yang tinggi, tahan terhaddap korosi, dan biocompatible. Impplantasi ion nitrogen ke k permukaann stainless steeel 316L dan paduan p Ti-6A Al4V mennghasilkan laapisan nitridaa besi, nitrida titanium atau a lapisan nitrida metall lainnya pada permukaann stainless steeel 316L dan paduan Ti-6A Al4V untuk meningkatkan m n ketahanan koorosi. Analisis sttruktur mikro dan kompoosisi unsur

Counts

Dalam penelitiann ini dilakukkan pengamatan struktur mikro m dan koomposisi unssur permukaan cuplikan menggunakan m SEM-EDAX, terutama untuuk

getahui kanduungan unsur niitrogen setelah h proses meng implaantasi ion terrkait dengan terbentuknya lapisan nitrid da dan perhituungan laju koorosi cuplikan n dalam lingk kungannya. Hasil H pengam matan strukturr mikro dan komposisi k unssur dari cuplikkan SS 316L sebelum s prosees implantasi ion ditampilkkan pada Gambar 1. Berd dasarkan anallisis kompossisi unsur diiperoleh kand dungan Fe 71,57% atom, C Cr 17,69% attom, Ni 9,72% % atom dan Mo 1,02 % atom, sertta tidak ditem mukan unsur nitrogen n padaa permukaan cuplikan c SS 316L. 3 Gambbar 2-4 mem mperlihatkan struktur mikro o dan kompoosisi unsur daari cuplikan SS S 316L setelaah proses impplantasi ion nnitrogen untuk k variasi energ gi 60 keV, 800 keV dan 1000 keV dan dosis d ion 5×10 016 ion/cm2. Berdasarkann Gambar 2-44, komposisi atom N yang terdeteksi pada p permukaaan cuplikan sekitar 5,97% % - 6,32% % atom unttuk cuplikan n yang diimp plantasi ion nitrogen padda dosis ion 5×1016 ion/ccm2 dan variaasi energi ionn 60 keV -10 00 keV. Kom mposisi ini terlalu sedikit untuk pemb bentukan fasa-S yang mem mpunyai ketahhanan korosii sangat baik. Menurut Olliviera, A (6), ffasa-S ini merupakan suatu u kondisi dim mana nitrogeen larut padaat super jenuh h dalam f.c.cc. γ-Fe sebeesar 20%-30% % atom (terjaadi penyimpaangan struktuur f.c.c), sed dangkan norm malnya maksim mum kelarutan padat f.c.c. γ-Fe adalaah 8,7% atom m. Hasil pengaamatan struktu ur mikro dan komposisi unsur u dari cuplikan Ti--6Al-4V sebellum proses implantasi i ioon ditampilkaan pada Gamb mbar 5. Pada Gam mbar 6-8 menampilkan struktur mikro o dan kompossisi unsur darri cuplikan Ti--6Al-4V setelaah proses impplantasi ion nnitrogen untuk k variasi energ gi 70 keV, 800 keV dan 1000 keV dan dosis d ion 5×10 016 ion/cm2.

keV V

Gambar 1. Struktur mikro m dan kom mposisi unsur permukaan p cup plikan SS 3166L sebelum prroses implantaasi ion.

92

Prosiding P Pertemuan dan Pressentasi Ilmiah Teknologi T Akseelerator dan Aplikasinya Vol. 13, Januari 2012 : 90 -100

ISSN N 1411-1349

Counts


keV

Counts

Gambaar 2. Struktuur mikro dan komposisi k kim mia permukaan n cuplikan SS 316L setelah implantasi ion nitrogen pada ennergi 60 keV dan d dosis ion 5×1016 ion/cm m2.

keV

Counts

Gambaar 3. Struktuur mikro dan komposisi k kim mia permukaan n cuplikan SS S 316L setelahh implantasi ion i nitrogen 16 pada eneergi 80 keV daan dosis ion 5×10 5 ion/cm2.

k keV

Gambaar 4. Struktuur mikro dan komposisi k kim mia permukaan cuplikan SS S 316L setelahh implantasi ion i nitrogen pada ennergi 100 keV V dan dosis ionn 5×1016 ion/ccm2.

EFEK LAPISAN L NITRIIDA TERHADA AP KETAHANA AN KOROSI PERMU UKAAN MATER RIAL UNTUK PROSTETIK P Lely Suusita R.M., dkk

93

V Volume 13, Janu uari 2012

Counts

ISSN 1411-11349

keV

Counts

Gambar 5. 5 Struktur mikkro dan kompposisi kimia peermukaan cup plikan Ti-6Al--4V sebelum pproses implanttasi ion.

keV

Strukttur mikro dann komposisi kimia k permuk kaan cuplikan Ti-6Al-4V setelah implan ntasi ion nitrogeen pada dosis ion 5×1016 ioon/cm2 dan eneergi 70 keV.

Counts

Gambarr 6.

keV V

Gambar 7. 7 Struktur mikkro dan kompposisi kimia peermukaan cup plikan Ti-6Al--4V setelah im mplantasi ion nitrogen n pada dosis ion i 5×1016 ionn/cm2 dan enerrgi 80 keV.

94

Prosiding P Pertemuan dan Pressentasi Ilmiah Teknologi T Akseelerator dan Aplikasinya Vol. 13, Januari 2012 : 90 -100


ISSN 1411-1349

Hasil pengamatan difraksi sinar X menggunakan sumber radiasi Cu Kα dengan λ : 1,54056 Å pada cuplikan SS 316L sesudah diimplantasi dengan ion nitrogen pada dosis 5×1016 ion/cm2 dengan variasi energi 60 keV dan 80 keV ditunjukkan pada Gambar 9 dan10.

Counts

Berdasarkan analisis komposisi unsur dapat diketahui bahwa cuplikan SS 316L dan Ti-6Al-4V setelah mengalami proses implantasi ion nitrogen, permukaan cuplikan mengandung unsur nitrogen yang membentuk lapisan nitrida. Untuk memastikan lapisan nitrida yang terbentuk digunakan teknik Difraksi Sinar X.

keV

Gambar 8. Struktur mikro dan komposisi kimia permukaan cuplikan Ti-6Al-4V setelah implantasi ion nitrogen pada dosis ion 5×1016 ion/cm2 dan energi 100 keV.

Gambar 9.

Pola difraksi cuplikan SS 316L yang diimplantasi dengan ion nitrogen pada dosis 5×1016 ion/cm2 dan energi 60 keV.

Gambar 10.

Pola difraksi cuplikan SS 316L yang diimplantasi dengan ion nitrogen pada dosis 5×1016 ion/cm2 dan energi 80 keV.


95

ISSN 1411-1349

Dari informasi sudut hamburan, intensitas dan jarak antar bidang pada Gambar 9, setelah dicocokkan dengan data JCPDS (Joint Comitttee Powder On Diffraction Standards), lapisan nitrida yang terbentuk setelah proses implantasi ion nitrogen pada cuplikan SS 316L menghasilkan puncak-puncak Fe2N, Cr2N.dan β-Cr2N. Pada Gambar 9 terlihat adanya satu puncak Fe2N dari bidang hkl (211) dengan jarak antar bidang 2,10925 Å pada sudut difraksi 42,840°. Lapisan nitrida Cr2N dan β-Cr2N menghasilkan satu puncak masingmasing dari bidang hkl (2 0 0) dengan jarak antar bidang 2,07332 Å pada sudut difraksi 43,620° untuk Cr2N dan bidang hkl (1 1 3) dengan jarak antar bidang 1,27407 Å pada sudut difraksi 74,40° untuk β-Cr2N. Lapisan nitrida besi Fe2N dapat meningkatkan ketahanan aus dan kekerasan cuplikan SS 316L, sedangkan pembentukan lapisan nitrida krom Cr2N dan β-Cr2N dapat menyebabkan terjadinya defisiensi krom yang seharusnya menjadi oksida krom sebagai lapisan pelindung pasif yang stabil pada permukaan cuplikan dalam lingkungan korosif (7). Pada umumnya pembentukan lapisan nitrida krom dapat menyebabkan pengurangan ketahanan korosi. Gambar 10 menunjukkan pola difraksi paduan TiAl yang diimplantasi ion nitrogen pada dosis 5×1016 ion/cm2 dan energi 100 keV yang menghasilkan lapisan nitrida besi Fe4N dari bidang hkl (220) dengan jarak antar bidang 1,34198 Å pada sudut difraksi 70,0596°. Terbentuknya lapisan nitrida besi Fe4N tersebut mempunyai sifat sangat keras atau mempunyai ketahanan aus yang sangat tinggi. Dari data pola difraksi (Gambar 11-13) dan setelah dicocokkan dengan data JCPDS (Joint Comitttee Powder On Diffraction Standards), lapisan nitrida yang terbentuk setelah proses implantasi ion nitrogen pada paduan Ti-6Al-4V menghasilkan puncak-puncak AlN, Ti2N dan Ti2AlN. Dari Gambar 11 terlihat adanya dua puncak Ti2N dari bidang hkl (210) dan (105) dengan jarak antar bidang 2,21937 Å dan 1,61747 Å pada sudut difraksi (2θ) 40,6176°, dan 56,880°. Lapisan nitrida Ti2AlN dan AlN menghasilkan satu puncak masingmasing dari bidang hkl (114) dengan jarak antar bidang 1,36846 Å pada sudut difraksi 68,5125° untuk Ti2AlN dan bidang hkl (220) dengan jarak antar bidang 1,45769 Å pada sudut difraksi 63,80° untuk AlN. Hasil yang serupa juga ditampilkan pada Gambar 12 dan 13 dimana cuplikan yang diimplantasi nitrogen menghasilkan lapisan nitrida tianium yang mempunyai sifat sangat keras atau mempunyai ketahanan aus yang baik. Gambar 11-13 menampilkan pola difraksi cuplikan Ti-6Al-4V setelah proses implantasi ion

96


nitrogen pada dosis 5×1016 ion/cm2 dengan variasi energi 70 keV dan 80 keV dan 100 keV. Pengujian Korosi Uji korosi dilakukan dengan menggunakan Potensistat/Galvanostat PGS 201 T terhadap material SS 316L dan Ti6Al-4V dalam larutran Hanks yang disimulasikan mirip dengan cairan tubuh manusia. Larutan Hanks dibuat di laboratorium dengan bahanbahan kimia yang terdiri dari : NaCl 8,0 g/l, CaCl2 0,14 g/l, KCl 0,4 g/l, NaHCO3 0,35 g/l, glukosa 1,0 g/l, NaH2PO4 0,1 g/l, MgCl2.6H2O 0,1 g/l, Na2HPO4.2H2O 0,06 g/l dan MgSO4.7H2O 0,06 g/l. Uji laju korosi dilakukan dengan pengamatan intensitas arus korosi (Ikor) benda uji dalam larutan Hanks. Hasil pengujian berupa grafik tafel untuk tiap cuplikan, dimana pada grafik tafel terdapat kurva polarisasi menggambarkan hubungan antara potensial (Ekor) dengan satuan mV sebagai fungsi log arus (Ikor) dalam satuan (µA/cm2Arus korosi menunjukkan banyak sedikitnya ion-ion logam yang larut dalam larutan elektrolit. Jika rapat arus yang terukur besar, maka ion-ion logam banyak yang larut kedalam larutan elektrolit sehingga mengakibatkan logam berada pada kondisi yang tidak stabil, sehingga mengakibatkan logam mengalami kerusakan pada bagian permukaannya karena bereaksi dengan lingkungannya. Dari grafik tafel diperoleh arus korosi, sehingga nilai laju korosi dapat dihitung. Pada Gambar 14 dan 15 ditampilkan grafik tafel untuk cuplikan SS 316L dan Ti-6Al-4V dalam larutan Hanks. Rapat arus korosi cuplikan SS 316L dalam larutan Hanks adalah 410,38 µA/cm2 dan laju korosi 41,13 mpy, sedangkan rapat arus korosi cuplikan Ti-6Al-4V adalah 242,49 µA/cm2 dengan laju korosi 32,78 mpy. Berdasarkan pada Gambar 16 dan 17 tersebut dapat diketahui bahwa laju korosi cuplikan SS 316Ldan Ti-6Al-4V mengalami penurunan cukup besar, yang berarti bahwa cuplikan hasil implantasi ion nitrogen mempunyai ketahanan korosi yang sangat baik. Ketahanan korosi optimum cuplikan SS 316L dalam larutan Hanks diperoleh pada dosis ion nitrogen 5×1016 ion/cm2dan energi 80 keV. Kondisi optimum ketahanan korosi pada energi 80 keV disebabkan oleh tidak terbentuknya lapisan nitrida krom. Khususnya pada SS 316L, pembentukan nitrida krom dapat menyebabkan terjadinya defisiensi krom yang seharusnya menjadi oksida krom sebagai lapisan pelindung pasif yang stabil pada permukaan cuplikan dalam lingkungan korosif. Ketahanan korosi optimum cuplikan Ti-6Al-4V dicapai pada dosis 5×1016 ion/cm2dan energi 100 keV, dimana pada kondisi ini tidak muncul kurva anodik, dimungkinkan telah terjadi peningkatan ketahanan korosi yang permanen.

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 13, Januari 2012 : 90 -100


ISSN 1411-1349

Gambar 11. Pola difraksi cuplikan Ti-6Al-4V yang diimplantasi dengan ion nitrogen pada dosis 5×1016 ion/cm2 dan energi 70 keV.

Gambar 12.

Pola difraksi cuplikan Ti-6Al-4V yang diimplantasi dengan ion nitrogen pada dosis 5×1016 ion/cm2 dan energi 80 keV.

Gambar 13. Pola difraksi cuplikan Ti-6Al-4V yang diimplantasi dengan ion nitrogen pada dosis 5×1016 ion/cm2 dan energi 100 keV.


97

ISSN 1411-1349


Gambar 14. Grafik tafel untuk cuplikan SS 316L dalam larutan Hanks.

Gambar 17 Grafik hubungan energi ion nitrogen yang diimplantasikan pada cuplikan Ti6Al-4V terhadap laju korosi dalam larutan Hanks.

PEMBAHASAN

Gambar 15.

Grafik tafel untuk cuplikan Ti-6Al4V dalam larutan Hanks.

Grafik hubungan laju korosi SS 316L dan energi ion ditunjukkan pada Gambar 16, sedangkan grafik hubungan laju korosi Ti-6Al-4V dan energi ion ditunjukkan pada Gambar 17.

Gambar 16. Grafik hubungan energi ion nitrogen yang diimplantasikan pada cuplikan SS 316L terhadap laju korosi dalam larutan Hanks.

98

Beberapa persyaratan yang harus dimiliki bahan-bahan yang dapat digunakan sebagai biomaterial: a. Biocompatible terhadap komposisi kimia untuk menghindari terjadinya reaksi jaringan yang merugikan b. Mempunyai ketahanan yang sangat baik terhadap degradasi (sebagai contoh: ketahanan korosi untuk metal atau tahan terhadap degradasi secara biologi dalam bahan polimer) c. Mempunyai kekuatan untuk menopang siklus beban yang diterima oleh tulang persendian d. Mempunyai modulus yang rendah untuk memperkecil penyerapan tulang e. Mempunyai ketahanan aus yang tinggi untuk memperkecil terbentuknya serpihan hasil proses keausan Hasil penelitian yang diperoleh adalah sebagian data dari persyaratan yang harus dimiliki oleh biomaterial untuk dapat berfungsi sebagai pengganti fungsi jaringan tubuh manusia, antara lain kekuatan mekanik khususnya peningkatan kekerasan SS 316L dan Ti-6Al-4V (telah disajikan pada Pertemuan Ilmiah Litbang Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Tahun 2010) dan ketahanan korosi biomaterial, SS 316L dan Ti-6Al-4V. Hasil penelitian yang telah dilakukan, nilai kekerasan optimum dari cuplikan SS 316L adalah 355,7 KHN yang diperoleh pada dosis ion 1×1017 ion/cm2 dan energi 60 keV. Nilai kekerasan tersebut meningkat sebesar 198% terhadap kekerasan cuplikan standar. Pada cuplikan Ti-6Al-4V, kekerasan optimumnya dari hasil proses implantasi ion nitrogen diperoleh pada dosis ion 1×1017 ion/cm2 dan energi ion 70 keV dengan nilai kekerasan 624,7 KHN, yang meningkat sekitar 223% jika dibandingkan dengan kekerasan



cuplikan standar. Lapisan nitrida besi yang terbentuk adalah Fe2N dan Fe4N, sedangkan nitrida titanium yang terbentuk adalah Ti2N dan Ti2AlN. Lapisan nitrida tersebut mempunyai sifat sangat keras atau mempunyai ketahanan aus yang tinggi dan ketahanan korosi yang baik. Dari hasil uji korosi pada cuplikan SS 316L yang diimplantasi ion nitrogen pada dosis ion 5×1016 ion/cm2 dan energi 80 keV diperoleh laju korosi optimum sebesar 17,72 mpy, nilai laju korosi tersebut menurun sekitar 232,16% terhadap laju korosi cuplikan standar. Penurunan laju korosi atau peningkatan ketahanan korosi optimum dari cuplikan Ti-6Al-4V sebesar 482.92% yang diperoleh pada dosis 5×1016 ion/cm2dan energi 100 keV, dimana pada kondisi ini tidak muncul kurva anodik, dimungkinkan telah terjadi peningkatan ketahanan korosi yang permanen. Dari data analisis nilai kekerasan dan ketahanan korosi biomaterial SS 316L dan Ti-6Al4V yang mempunyai kekerasan dan ketahanan korosi yang sangat baik, sehingga dapat digunakan untuk pembuatan prostetik atau piranti cangkok ortopedik yang biocompatible, murah dan kuat. (8)

ISSN 1411-1349

DAFTAR PUSTAKA 1. 2.

3.

4.

5.

6.

KESIMPULAN Berdasarkan hasil penelitian dan pembahasan seperti yang telah diuraikan dapat diambil kesimpulan sebagai berikut 1) Pengamatan struktur mikro dan komposisi unsur cuplikan SS 316L setelah mengalami proses implantasi ion nitrogen, permukaan cuplikan mengandung unsur nitrogen 5,97% atom pada kondisi optimum ketahanan korosi (energi 80 keV). Komposisi ini terlalu sedikit untuk pembentukan fasa-S yang mempunyai ketahanan korosi sangat baik. Komposisi atom N 31,91% atom yang terdeteksi pada permukaan cuplikan Ti-6Al-4V pada energi 100 keV telah mempunyai ketahanan korosi yang permanen, dimana pada kondisi ini tidak muncul kurva anodik. 2) Peningkatan ketahanan korosi cuplikan SS 316L pada energi 80 keV disebabkan oleh tidak terbentuknya lapisan nitrida krom Cr2N dan βCr2N. Khususnya pada SS 316L, pembentukan nitrida krom dapat menyebabkan terjadinya defisiensi krom yang seharusnya menjadi oksida krom sebagai lapisan pelindung pada permukaan cuplikan dalam lingkungan korosif. Untuk memastikan lapisan nitrida yang terbentuk digunakan teknik Difraksi Sinar X. Dari data pola difraksi cuplikan Ti6Al-4V yang diimplantasi ion nitrogen menghasilkan lapisan nitrida Ti2N yang mempunyai sifat sangat keras atau mempunyai ketahanan aus yang baik.


7.

8.

MUDALI, U.K., et al., Corrosion of bio implants, Sadhana Vol. 28, Parts 3 & 4, June/August (2003), 601-637 HANSEN, D.C., Metal Corrosion in the Human Body: The Ultimate Bio-Corrosion Scenario, The Electrochemical Society Interface, (2008) 31-34 SUNDARARAJAN, T., and PRAUNSEIS, Z., The effect of nitrogen-ion implantation on the corrosion resistance of titanium in comparison with oxygen and argon-ion implantations, Materiali in Technologije 38 (1-2) (2004) 19-24 BELOTI, M.M., et.al., In vitro biocompatibility of duplex stainless steel with and without 0.2% niobium, Journal of Applied Biomaterials & Biomechanics 2 (2004) 162-168 KRECISZ, B., et.al., Allergy to metals as a cause of orthopedic implant failure, International Journal of Occupational Medicine and Environmental Health 19 (3) (2006) 178180 OLIVEIRA, et. al., Effect of Temperature of Plasma Nitriding in AISI 316L Austenitic Stainless Steel, Revista Brasileira de Aplicacöes de Väcuo, vol. 22 (2003) 63-66 SHAIKH, et. al., Assesment of Intergranular Corrosion in AISI 316L Stainless Steel Weldsment, British Corrosion Journal, vol. 37 (2002) SUDJATMOKO, Penerapan Teknik Nitridasi Ion Pada Pengembangan Material Untuk Prostetik Yang Biokompatible, Murah dan Kuat, Laporan Riset Terapan, BATAN (2010).

TANYA JAWAB Prof. Dr. rer.nat. Tri Madji Atmono 1.

2.

Bagaimana sifat–sifat prostetik yang diperlukan, apakah material yang dihasilkan dalam penelitian ini sudah sesuai dengan aplikasi untuk prostetik? Disarankan mungkin kerjasama dengan person/instansi di bidang medis.

Lely Susita 1. Biomaterial untuk piranti cangkok ortopedik atau prostetik berbasi metal, khususnya austenitic stainless steel jenis 316L dan paduan Ti-6Al-4V mempunyai sifat-sifat ketahanan korosi dan keausan yang tinggi, biocompatible, murah dan kuat. Dalam penelitian ini, tidak dilakukan pembuatan material untuk prostetik tetapi menggunakan material yang sudah sering digunakan untuk piranti ortopedik yaitu 99

ISSN 1411-1349

stainless steel, titanium dan paduannya. Akan tetapi pada pemakaian jangka panjang terjadi gangguan penggunaan material tersebut karena terdapat kecenderungan terjadinya korosi pada prostetik diperlukan perbaikan sifat ketahanan korosi dengan teknik implantasi ion. Berdasarkan hasil uji ketahanan korosi biomaterial stainless steel jenis 316L dan paduan Ti-6Al-4V mempunyai ketahanan korosi yang sangat baik sehingga

100


2.

dapat digunakan untuk pembuatan prostetik atau piranti cangkok ortopedik yang biocompatible, murah dan kuat. Saran diterima. Keberhasilan kegiatan riset terapan ini pada tahap selanjutnya akan dirintis kerjasama dengan perguruan tinggi Fakultas Teknik Industri Bidang Biomedical Engineering, Fakultas Kedokteran UGM, dan staf dokter PTAPB-BATAN.


EFEK LAPISAN NITRIDA TERHADAP KETAHANAN KOROSI PERMUKAAN MATERIAL UNTUK PROSTETIK

Recommend Documents