ION BEJANA GANDA UNTUK PERLAKUAN PERMUKAAN BAHAN LOGAM

Volume 15, Oktober 2013

ISSN 1411-1349

KINERJA PERANGKAT NITRIDASI PLASMA/ION BEJANA GANDA UNTUK PERLAKUAN PERMUKAAN BAHAN LOGAM Suprapto, Saminto, Eko Priyono dan Tjipto Sujitno Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan– BATAN Jl. Babarsari, Kotak Pos 6101 ykbb Yogyakarta Email : [email protected]; [email protected]

ABSTRAK KINERJA PERANGKAT NITRIDASI PLASMA/ION BEJANA GANDA UNTUK PERLAKUAN PERMUKAAN BAHAN LOGAM. Telah dilakukan uji kinerja perangkat nitridasi plasma/ion bejana ganda untuk perlakuan permukaan. Uji kinerja bertujuan untuk mengetahui perangkat nitridasi plasma/ion bejana ganda dapat digunakan atau tidak untuk perlakuan permukaan khususnya meningkatkan kekerasan permukaan logam. Dalam uji kinerja dilakukan uji operasi untuk pemanasan awal, uji operasi untuk kondisi nitridasi dan uji awal untuk proses nitridasi. Hasil uji operasi untuk pemanasan awal menunjukkan bahwa besar arus dan tegangan catu daya sangat dipengaruhi oleh tekanan operasi saat proses nitridasi sehingga menentukan kebutuhan waktu untuk pemanasan awal yaitu dari suhu kamar (sekitar 30 ºC) sampai dengan suhu antara 400 ºC sampai dengan 560 ºC. Uji operasi untuk kondisi nitridasi menunjukkan bahwa selama beroperasi untuk proses nitridasi pada kisaran suhu ruang plasma 525 ºC, suhu dinding pada kisaran 50 ºC sampai dengan 60 ºC sehingga cukup aman untuk pengoperasian. Suhu operasi ini dapat diatur jika diperlukan untuk proses nitridasi pada suhu operasi antara 400 ºC sampai dengan 560 ºC. Uji awal untuk proses nitridasi diperoleh kekerasan maksimum 168,2 VHN dan indikasi kedalaman difusi atom nitrogen sekitar 24,05 µm, peningkatan kekerasan dibandingkan dengan kekerasan sebelum dinitridasi (raw material) adalah 45,18 %. Dengan hasil ini mengindikasikan bahwa kinerja perangkat nitridasi ion/plasma bejana ganda telah berfungsi untuk proses nitridasi dan dapat meningkatkan kekerasannya. Kata Kunci : pengerasan permukaan, perlakuan permukaan, nitridasi ion/plasma

ABSTRACT PERFORMANCE OF PLASMA/ION NITRIDING DOUBLE CHAMBER FOR SURFACE TREATMENT OF METAL MATERIALS. The performance test of plasma/ion nitriding double chamber has been carried out. The purpose of performance test is to know whether this machine can be used to treat the surface of metal especially in increasing of hardness or not. In performance test, it has been done an operation test for initiating heating, operation test for nitriding condition and initiating test for nitridation process. From operation test for initiating heating shows that the current and voltage of power supply is really influenced by operation pressure during nitridation process, so that it determine the needs of time for initiating time such as from room temperature (around 30 ºC) up to 400 ºC – 560 ºC. From operation test for nitridation condition shows that the temperature of plasma chamber is around 525 ºC, while temperature of wall chamber is in the range of 50 ºC – 60 ºC, so it is safe enough for operation condition. This operating temperature can be tuned in the range of 400 ºC – 560 ºC, it depend on the needs of temperature. From preliminary hardness test, it’s found that the optimum hardness is in order of 168.2 VHN and 24.05 µm of diffusion depth. Compare to the hardness of raw material, there is an increasing hardness in order of 45.18 %. From this data, it can be concluded that the performance of plasma/ion nitriding double chamber is well and can increase the hardness of the surface of metal. Keywords: surface hardening, surface treatment, ion/plasma nitriding

PENDAHULUAN ifat-sifat mekanik logam sangat berhubungan dengan struktur mikro atau kristal maka untuk mengubahnya dapat dilakukan proses nitridasi logam untuk membentuk lapisan nitrida besi dengan ketebalan orde mikro yang banyak dimanfaatkan khususnya untuk perlakuan permukaan pada komponen mesin dan pisau potong permesinan (tools steel) [1-5]. Dengan lapisan nitrida besi dalam perlakuan permukaan pada logam dapat merubah struktur atom dan sifat-sifat mekanik permukaannya [1-3]. Adapun sifat-sifat mekanik permukaan logam antara lain kekerasan, ketahanan aus dan ketahanan korosi. Sifat-

S

KINERJA PERANGKAT NITRIDASI PLASMA/ION BEJANA GANDA UNTUK PERLAKUAN PERMUKAAN BAHAN LOGAM Suprapto, Saminto, Eko Priyono, Tjipto Sujitno

sifat mekanis ini sangat diperlukan pada komponenkomponen mesin dan pisau potong permesinan agar mempunyai kemampuan yang baik dan umur pakai yang lama. Perlakuan permukaan (surface treatment) merupakan satu dari beberapa metode yang digunakan untuk merubah struktur permukaan agar diperoleh sifat-sifat permukaan yang lebih unggul sesuai dengan penggunaannya. Besi merupakan jenis logam yang paling banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari karena harganya yang murah dan mudah didapatkan. Besi mempunyai ketahanan aus, gesekan dan korosi yang kurang baik sehingga perlu ditingkatkan terutama yang terkait dengan ketahanan aus, gesekan dan korosi 45


pada permukaannya [3]. Penggunaan besi untuk kesejahteraan manusia antara lain sebagai bahan konstruksi bangunan, peralatan industri, mesin-mesin perkakas (poros mesin, roda gigi) dan alat-alat potong atau pisau potong permesinan antara lain mata bor, pahat bubut, pisau frais. Peningkatan sifatsifat mekanik permukaan ini dapat dilakukan dengan metode konvensional seperti karburasi, nitridasi, karbonitridasi dan nitrokarburasi [1-3]. Kelemahan dengan metode konvensional adalah selama proses dilakukan pada suhu tinggi dan dengan waktu yang cukup lama, akibatnya saat material didinginkan akan timbul thermal stress dan deformasi [4,5]. Hal ini tidak diinginkan karena material menjadi getas dan mungkin terjadi perubahan bentuk. Untuk mengurangi thermal stress harus dilakukan pemanasan ulang pada suhu yang lebih rendah (annealing) dan pendinginan yang lambat. Dengan adanya perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi, telah dikembangkan metode perlakuan permukaan yaitu dengan teknologi plasma yang diterapkan untuk nitridasi ion/nitridasi plasma [1,2,4-6]. Teknologi ini mempunyai banyak keuntungan dibandingkan dengan proses nitridasi dan proses pengerasan lainnya secara konvensional. Keuntungan ini diantaranya adalah: proses nitridasi berlangsung dalam waktu dan suhu relatif rendah, tidak memerlukan quenching sehingga mengurangi distorsi, efisiensi pemakaian gas dan energi listrik, dan tidak menimbulkan polusi. Jika dihitung secara tekno-ekonomi teknik nitridasi plasma dapat menekan beaya operasi sekitar 70 % dibanding nitridasi konvensional, sekitar 10 % dibanding dengan pelapisan secara elektrokimia dan 6 % dibanding surface weld (Fe) [7,8]. Nitridasi adalah suatu proses pengerasan permukaan dengan menambahkan unsur nitrogen pada permukaan benda kerja (biasanya baja). Pada proses nitridasi secara konvensional dibedakan menjadi 2 (dua) cara yaitu proses nitridasi dengan gas (gas nitriding) dan proses nitridasi dengan cairan (liquid nitriding). Sehubungan dengan perkembangan teknologi telah dikembangkan teknologi terkini untuk proses nitridasi yaitu teknik nitridasi ion/plasma (ion/plasma nitriding) [6-9]. Perangkat nitridasi ion/plasma yang dikembangkan adalah perangkat nitridasi ion/plasma dengan bejana ganda. Keuntungan dengan bejana ganda diharapkan dapat secara bergantian yaitu pada saat bejana 1 bertepatan dengan proses nitridasi maka bejana 2 digunakan untuk preparasi/persiapan untuk proses nitridasi dan begitu sebaliknya. Untuk penyelesaiannya dilakukan uji kinerja termasuk untuk proses nitridasi. Pembangkitan Plasma Pada perangkat nitridasi plasma, plasma akan terbentuk di dalam ruang bejana plasma yaitu di antara anoda dan katoda. Plasma ini terbentuk karena adanya ionisasi molekul/atom gas dengan kerapatan elektron

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 15, Oktober 2013: 45 - 52

ISSN 1411-1349

(ne) dan ion (ni) hampir sama yang dituliskan dengan persamaan [6, 10] ne ≈ ni (1) sedangkan rapat arus elektron (Je) dan ion (Ji) ditentukan dengan persamaan [11] Je = e n e ve

(2a)

Ji = q i n i vi (2b) dengan Je adalah rapat arus elektron, e muatan elektron, ne kerapatan elektron dan ve kecepatan elektron, sedangkan Ji adalah rapat arus ion, qi muatan ion, ni kerapatan ion dan vi kecepatan ion. Kecepatan ion akan sangat lambat karena massanya jauh lebih besar dari pada elektron, untuk atom hidrogen maka perbandingan mp/me ≈ 5,5 × 10-4, dengan mp adalah massa proton dan me adalah massa elektron. Secara umum karakteristik tipikal lucutan plasma ditunjukkan pada Tabel 1. Untuk menentukan rapat arus ion (Ji) dengan menggunakan Pers. (2.b) juga dipengaruhi oleh rapat atom gas yang diplasmakan (ng) dan derajat ionisasi (α) karena ni = αn, sehingga Pers. (2.b) menjadi [10] Ji = qαngvi

(3)

vi = √(2 Ei/Mnitrogen)

(3a)

Mnitrogen = 14 mp

(3b)

sedangkan dan dengan mp adalah massa proton. Rapat atom gas yang diplasmakan di dalam ruang plasma yang berhubungan dengan tingkat kevakuman atau tekanan di dalam bejana reaktor plasma dapat ditentukan dengan persamaan [11] n = (NA/Ro) (P/T)

(4) 3

dengan n adalah rapat atom/molekul (molekul/cm ), NA bilangan Avogadro = 6,023×1023 molekul/mole, Ro konstanta universal = 6,236 Torr cm3/K, P tekanan (Torr) dan T suhu (K). Jika bilangan Avogadro dan konstanta universal dimasukkan pada Pers. (4) diperoleh n = 9,656×1018 (P/T).

(5)

Tabel 1. Karakteristik tipikal lucutan plasma[12]. Besaran Tekanan Ukuran Tegangan Arus Suhu Kerapatan partikel bermuatan Energi elektron Energi ion plasma Energi ion di katode Derajat ionisasi (α)

Kuantitas 0,01 − 10 Torr 0,1 – 10 cm 100 – 2000 V 0,1 – 100 mA 300 – 1000 K 106 – 1013 cm-3 1 – 4 eV 0,01 eV atau kT gas 1 – 1000 eV 10-7 – 10-4 46


ISSN 1411-1349

Proses Nitridasi Dengan Nitridasi Ion/Plasma Pada proses nitridasi dilakukan di dalam ruang bejana plasma biasanya berkisar pada suhu antara 400 ºC s/d. 560 ºC [1]. Teknik nitridasi ini termasuk teknologi terkini yang digunakan untuk proses pengerasan permukaan yang merupakan satu diantara pengembangan pemanfaatan teknologi plasma. Pada nitridasi ini, proses nitridasi dilakukan dengan mendeposisikan ion nitrogen pada permukaan yang dikeraskan. Untuk membentuk ion nitrogen dilakukan dengan cara memplasmakan gas nitrogen di dalam tabung reaktor plasma sehingga terbentuk pasangan ion nitrogen dan elektron. Untuk memplasmakan ini digunakan tegangan tinggi DC dengan polaritas positif pada anoda dan polaritas negatif pada katoda sehingga terjadi lucutan pijar dan terbentuk plasma. Pada saat terjadi lucutan pijar terjadi reaksi antara elektron dan atom nitrogen membentuk ion nitrogen sebagai berikut [1] e + N2 Æ N + N + e+

-

e+N Æ N +2e .

khususnya dengan teknik nitridasi. Pada uji fungsi ini juga dilakukan untuk nitridasi cuplikan dari mata bor. Proses uji fungsi untuk menentukan kinerja menggunakan gas dari udara sekitar, sedangkan untuk uji fungsi nitridasi dilakukan dengan menggunakan gas N2. Pengujian Hasil Nitridasi Pengujian hasil nitridasi adalah untuk mengetahui fungsi perangkat nitridasi ion/plasma bejana ganda untuk perlakuan permukaan (surface treatment) khususnya nitridasi material dalam bentuk cuplikan. Cuplikan dibuat dari mata bor yang ada dipasaran. Pengujian dilakukan dengan mengamati perubahan kekerasan dari cuplikan tersebut yaitu dengan mengukur kekerasan cuplikan yang dinitridasi dengan berbagai variasi tekanan dan waktu proses.

(6a) (6b)

Pada proses nitridasi, benda kerja/cuplikan ditempatkan pada katoda sehingga ion-ion nitrogen yang terbentuk terdeposisi pada permukaan cuplikan. Ion-ion nitrogen yang terdeposisi pada permukaan selanjutnya berdifusi dan larut secara interstisi membentuk lapisan nitrida. Jika yang dinitridasi adalah baja dengan unsur utama Fe maka akan terbentuk lapisan nitrida besi (FeN) pada permukaan. Nitrida besi (FeN) mempunyai sifat sangat keras sehingga membentuk lapisan keras pada permukaan baja yang dinitridasi.

TATA KERJA Langkah-langkah dalam melakukan uji fungsi untuk menentukan kinerja perangkat nitridasi ion digambarkan dengan diagram alir yang ditunjukkan pada Gambar 1. Proses uji fungsi dimulai dengan persiapan yaitu konstruksi dan pengkondisian alat (perangkat nitridasi ion/plasma bejana ganda) serta preparasi cuplikan yaitu pemotongan dan pemolesan bahan/cuplikan yang akan dinitridasi. Konstruksi merupakan suatu perakitan bagian-bagian dari sistem nitridasi ion/plasma yang terdiri dari bejana reaktor plasma, catu daya, sistem vakum, instrumen kendali dan sumber gas untuk nitridasi serta casis sehingga menjadi satu kesatuan yaitu sistem perangkat nitridasi ion/plasma. Pengkondisian alat dimulai dengan pengujian kevakuman dan pembangkitan plasma untuk nitridasi. Pembangkitan plasma dilakukan untuk mengetahui kemampuan alat dalam membangkitkan plasma dan suhu yang dapat dicapai. Perangkat untuk proses nitridasi dengan teknik nitridasi ion/plasma dengan bejana ganda ditunjukkan pada Gambar 2. Peralatan tersebut dibuat di PTAPB yang merupakan aplikasi plasma untuk proses perlakuan permukaan KINERJA PERANGKAT NITRIDASI PLASMA/ION BEJANA GANDA UNTUK PERLAKUAN PERMUKAAN BAHAN LOGAM Suprapto, Saminto, Eko Priyono, Tjipto Sujitno

Gambar 1.

Diagram alir uji kinerja.

Gambar 2. Perangkat nitridasi ion/plasma bejana ganda. 47


ISSN 1411-1349

Pengukuran kekerasan juga dilakukan untuk material sebelum dinitridasi agar dapat diketahui perubahan kekerasannya. Alat yang digunakan untuk pengukuran kekerasan adalah Digital Micro Hardness Tester jenis Matsuzawa MMT-X7.

HASIL DAN PEMBAHASAN Proses Pembentukan Plasma dan Pemanasan Ruang Plasma Berdasarkan rancangan detil, rapat arus ion (Ji) yang ditentukan dengan Pers. (3) dengan luas elektroda 1,256 cm2, tegangan operasi Vop = 0,6 Vdadal, dan Ei = 0,01 eV dan dengan mengasumsikan derajat ionisasi α ≈ 10-5, diperoleh hasil perhitungan seperti ditunjukkan pada Tabel 2. Didasarkan hasil perhitungan dalam rancangan (Tabel 2) dilanjutkan dengan pembuatan dan konstruksi serta pengujian yaitu pengamatan dan penyempurnaan kinerjanya yang hasilnya ditunjukkan pada Gambar 3 sampai dengan Gambar 10. Kinerja perangkat ini ditunjukkan dalam bentuk berbagai hasil pengujian yang terkait dengan pengoperasian untuk proses nitridasi. Pada Gambar 3 ditunjukkan hasil pengujian arus catu daya sebagai fungsi tekanan kerja ruang plasma pada saat proses nitridasi. Arus catu daya sangat berpengaruh terhadap pembangkitan panas untuk proses nitridasi di dalam ruang plasma disamping tegangan. Pengamatan dilakukan pada rentang tekanan kerja perangkat nitridasi yaitu mulai pada tekanan 1 mbar sampai dengan 2,0 mbar dengan interval 0,2 mbar. Hasil pengamatan tersebut menunjukkan bahwa

arus catu daya naik secara linear berbanding lurus dengan kenaikan tekanan. Hal ini sesuai dengan Pers. (3) yaitu rapat arus elektron/ion berbanding lurus dengan rapat atom/molekul yang diionisasikan. Atom/molekul yang diionisasikan berbanding lurus dengan tekanan di dalam ruang plasma, berdasarkan Pers. (4), makin tinggi tekanan di dalam ruangan makin besar rapat atom/molekul yang ada di dalam ruangan tersebut. Di dalam perangkat nitridasi ion/plasma, arus catu daya merupakan aliran pembawa muatan yaitu aliran elektron/ion akibat atom-atom gas nitrogen dan hidrogen yang diplasmakan. Dengan demikian makin besar tekanan di dalam ruang plasma makin besar rapat atom-atom/molekul-molekul gas yang diplasmakan sehingga arus elektron/ion yang dihasilkan pada tegangan pemercepat (tegangan catu daya) yang sama makin besar dan menyebabkan arus catu daya makin besar.

Gambar 3. Pengamatan arus catu daya sebagai fungsi tekanan pada tegangan 650 V.

Tabel 2. Hasil perhitungan daya, arus, dan rapat arus pada berbagai tekanan gas operasi dan luas permukaan anode pada nitridasi plasma[12]. P (torr) 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,5 2 2,5 3 4 5 6 7 8 9 10

P (mbar) 0,80 0,93 1,07 1,20 1,33 2,00 2,67 3,33 4,00 5,33 6,67 8,00 9,33 10,67 12,00 13,33

ng (cm-3) 2,0943E+16 2,4433E+16 2,7923E+16 3,1414E+16 3,4904E+16 5,2356E+16 6,9809E+16 8,7261E+16 1,0471E+17 1,3962E+17 1,7452E+17 2,0943E+17 2,4433E+17 2,7923E+17 3,1414E+17 3,4904E+17

Voperasi (V) 288,333388 315,073852 341,348215 367,165269 392,552204 514,100112 628,843213 738,721116 844,896498 1048,91782 1244,63618 1434,12288 1618,67721 1799,18194 1976,27171 2150,42233


ne=ni (cm-3) 2,09E+11 2,44E+11 2,79E+11 3,14E+11 3,49E+11 5,24E+11 6,98E+11 8,73E+11 1,05E+12 1,4E+12 1,75E+12 2,09E+12 2,44E+12 2,79E+12 3,14E+12 3,49E+12

Ji(A/cm2) 0,001239661 0,001446271 0,001652881 0,001859492 0,002066102 0,003099153 0,004132203 0,005165254 0,006198305 0,008264407 0,010330509 0,01239661 0,014462712 0,016528814 0,018594915 0,020661017

Ii(A) 1,557014 1,816517 2,076019 2,335521 2,595024 3,892536 5,190048 6,487559 7,785071 10,3801 12,97512 15,57014 18,16517 20,76019 23,35521 25,95024

Daya (W) 448,9392 572,3369 708,6454 857,5223 1018,682 2001,153 3263,726 4792,497 6577,579 10887,87 16149,3 22329,5 29403,54 37351,36 46156,25 55803,97

48


Pada Gambar 4 ditunjukkan hasil pengujian arus catu daya sebagai fungsi tegangan operasi pada saat proses nitridasi. Dari hasil pengamatan menunjukkan bahwa makin besar tegangan maka makin besar arus catu daya dan didasarkan Pers. (3) menunjukkan bahwa rapat arus ion berbanding lurus dengan kecepatan dari ion tersebut. Kecepatan ion berbanding lurus dengan energi yaitu makin besar energi dari ion maka makin tinggi kecepatannya. Besar energi ion tergantung dari tegangan pemercepat yang diberikan yaitu tegangan operasi. Tegangan operasi pada nitridasi ion/plasma diperoleh dari catu daya yang berfungsi untuk mengionisasi atomatom/molekul gas nitrogen dan hidrogen sehingga terjadi plasma yang merupakan pasangan elektron dan ion serta mempercepat elektron/ion menuju ke anoda dan katoda. Elektron bermuatan negatif sehingga menuju ke anoda yang bermuatan positif, sedangkan ion bermuatan positif menuju ke katoda yang bermuatan negatif.

Gambar 4. Pengamatan arus catu daya sebagai fungsi tegangan operasi. Pada proses nitridasi, benda kerja ditempatkan pada katoda dan ditumbuk oleh ion-ion nitrogen dan hidrogen. Dari tumbukan tersebut dibangkitkan panas yang digunakan untuk memanaskan benda kerja yang dinitridasi. Karena panas yang dibangkitkan pada benda kerja tergantung dari tumbukan ion dan besarnya dipengaruhi oleh jumlah dan energi dari ion yang menumbuk. Untuk jumlah ion berbanding lurus dengan arus catu daya dan energi ion berbanding lurus dengan tegangan pemercepat yaitu tegangan catu daya maka besar panas yang dibangkitkan sebanding dengan besar perkalian antara arus dan tegangan catu daya atau daya listrik yang disalurkan ke elektroda nitridasi. Dari variasi tekanan tersebut (Gambar 4), arus catu daya dapat dicapai antara 4,6 ampere hingga 5 ampere. Pada tekanan 2,0 mbar dan 2,3 mbar, arus yang dapat dicapai 5 ampere pada tegangan 580 volt. Untuk tekanan 1,2 mbar, arus yang dapat dicapai 4,6 ampere pada tegangan 750 volt. Jika dibandingkan dengan hasil perhitungan (Tabel 2), untuk tekanan operasi 2,0 mbar diperoleh arus 3,89 ampere pada tegangan operasi 514 volt sedangkan dari hasil pengujian diperoleh arus 3,8 ampere pada tegangan KINERJA PERANGKAT NITRIDASI PLASMA/ION BEJANA GANDA UNTUK PERLAKUAN PERMUKAAN BAHAN LOGAM Suprapto, Saminto, Eko Priyono, Tjipto Sujitno

ISSN 1411-1349

operasi 540 volt. Perbedaan ini dimungkinkan karena ketidak tepatan pengambilan asumsi (pengandaian) derajat ionisasi (α) ≈ 10-5 dan efek dari geometri katoda dan anoda yang dipasang mempunyai ukuran yang tidak sama sehingga sangat berpengaruh terhadap hasil pengukuran arus catu daya. Pengujian selanjutnya adalah uji pembangkitan panas sebagai fungsi waktu untuk menghasilkan suhu operasi saat proses nitridasi. Hasil pengujian pembangkitan panas pada berbagai tekanan saat proses nitridasi ditunjukkan pada Gambar 5 sampai dengan Gambar 8. Pembangkitan panas ini digunakan untuk menaikkan suhu ruang bejana plasma khususnya pada tempat benda kerja. Pengujian dilakukan sesuai dengan waktu nitridasi yang diperlukan yaitu antara 3 jam sampai 6 jam agar perangkat nitridasi mampu beroperasi dengan baik pada suhu dan waktu proses nitridasi untuk berbagai tekanan kerja. Perbedaan yang signifikan untuk masing-masing pengujian adalah pada kebutuhan waktu untuk mencapai suhu nitridasi (pemanasan awal) yaitu dari suhu kamar (sekitar 30 ºC) sampai dengan suhu antara 400 ºC sampai dengan 560 ºC. Didasarkan data-data hasil pengujian (Gambar 5 sampai dengan Gambar 8), kebutuhan waktu untuk pemanasan awal ditunjukkan pada Tabel 3. Untuk tekanan operasi 1,4 mbar dan 1,6 mbar, waktu yang diperlukan untuk pemanasan awal hampir sama yaitu 70 menit, sedangkan untuk tekanan operasi 1,8 mbar diperlukan waktu pemanasan awal lebih singkat yaitu 60 menit. Waktu pemanasan paling lama adalah untuk tekanan 2,0 mbar yaitu 110 menit. Kebutuhan waktu pemanasan awal sangat terkait dengan pembangkitan panas yaitu daya (P) dari catu daya yang dapat tersalurkan ke bejana reaktor plasma yang besarnya adalah perkalian arus (I) dan tegangan (V) catu daya yang dapat dituliskan sebagai P = (IV) – (I2R)

(7)

dengan R adalah nilai tahanan damping yang dipasang pada rangkaian catu daya sehingga menyebabkan jatuh tegangan. Pada saat pemanasan awal, pemberian tegangan dari catu daya ke elektroda dilakukan secara bertahap yaitu mulai dari tegangan ambang hingga mencapai tegangan optimal. Tegangan ambang adalah mulai terbentuknya plasma, tegangan ini di sekitar 360 volt pada tingkat kevakuman 10-2 mbar. Selanjutnya secara bersamaan gas nitrogen dimasukkan hingga mencapai tekanan kerja dan tegangan dinaikkan hingga mencapai tegangan optimal. Dengan pengaturan ini arus catu daya akan naik berbanding lurus dengan kenaikan tegangan dan tekanan. Besar daya pada saat pemanasan awal dihitung dengan persamaan (7) dan hasilnya ditunjukkan pada Tabel 3. Jika dibandingkan antara daya dan waktu pemanasan awal untuk tekanan operasi 1,4 mbar dan 1,6 mbar hampir sama. Tetapi pada tekanan operasi 1,8 mbar, daya yang tersalurkan 49


ISSN 1411-1349

untuk membentuk plasma dan membangkitkan panas lebih besar sehingga waktu pemanasan lebih singkat. Untuk tekanan operasi 2,0 mbar diperoleh daya yang tersalurkan lebih kecil sehingga waktu pemanasan awal lebih lama. Disamping daya tersebut, kebutuhan waktu pemanasan juga dipengaruhi oleh pelepasan panas ke lingkungan. Untuk meminimalkan pelepasan panas ke lingkungan digunakan perisai radiasi panas dan elektroda (anoda) yang beberbentuk silinder dengan bagian atas setengah elips. Karena pada pengujian ini konstruksinya sama maka efek pelepasan panas ke lingkungan untuk masing-masing pengujian pada variabel tekanan dianggap sama dan tidak perlu dibahas secara detil. Untuk pengujian kinerja yang dituangkan dalam bentuk pengujian suhu operasi sebagai fungsi waktu mulai dari tekanan operasi 1,4 mbar sampai dengan 2 mbar (Gambar 5 sampai dengan Gambar 8) tidak terjadi perbedaan yang signifikan. Hasil tersebut menunjukkan bahwa selama beroperasi untuk proses nitridasi pada kisaran suhu ruang plasma 525 ºC dengan rentang suhu proses nitridasi plasma pada kisaran 400 ºC sampai dengan 560 ºC, sedangkan suhu dinding pada kisaran 50 ºC sampai dengan 60 ºC sehingga cukup aman untuk pengoperasian. Suhu operasi ini dapat diatur jika diperlukan untuk proses nitridasi pada suhu operasi antara 400 ºC sampai dengan 560 ºC. Tabel 3.

Waktu pemanasan awal dan daya catu daya yang tersalurkan.

No

Tekanan Operasi (mbar)

Waktu pemanasan awal (menit)

Daya tersalurka n (W)

Suhu yang dicapai (oC)

1

1,4

70

1710

510

2

1,6

70

1696

508

3

1,8

60

2093

507

4

2,0

110

1550

510

Gambar 6. Pengamatan suhu sebagai fungsi waktu operasi pada 1,6 mbar.



Proses Nitridasi Cuplikan Tekanan dan Waktu

Gambar 5. Pengamatan suhu sebagai fungsi waktu operasi pada 1,4 mbar. Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 15, Oktober 2013: 45 - 52

Dengan

Variasi

Setelah dilakukan uji kinerja berdasarkan kondisi kebutuhan operasi dilanjutkan untuk nitridasi cuplikan yang terbuat dari potongan mata bor. Proses nitridasi dilakukan menggunakan gas nitrogen (N2) dengan variasi tekanan dan waktu yang hasil peningkatan kekerasan ditunjukkan pada Gambar 9, 50


Gambar 10 dan Gambar 11. Dengan memplasmakan gas nitrogen (N2), maka akan terbentuk ion nitrogen (N+) sesuai dengan Pers. (6). Ion nitrogen ini dipercepat menuju katoda. Karena pada katoda dipasang benda kerja (cuplikan) yang dinitridasi maka ion nitrogen menumbuk dan menempel pada permukaan benda kerja yang ditumbuk sehingga terjadi disipasi energi menjadi panas dan memanaskan benda kerja. Akibat pemanasan benda kerja maka ion nitrogen berdifusi dan masuk ke dalam permukaan dan membentuk senyawa nitrida besi (FeN) yang bersifat sangat keras. Data kekerasan pada tekanan nitridasi 0,0 mbar dan waktu nitridasi 0 jam adalah data kekerasan awal dari cuplikan (sebelum dinitridasi). Nitridasi cuplikan ini dilakukan untuk uji awal perangkat nitridasi bejana ganda untuk proses nitridasi. Uji awal untuk variasi tekanan mulai 1,4 mbar sampai dengan 2,0 mbar dengan interval 0,2 mbar yang hasilnya ditunjukkan pada Gambar 9.

Gambar 9. Kekerasan sebagai fungsi tekanan proses nitridasi untuk cuplikan mata bor pada suhu 525 ºC dengan waktu 4 jam.

ISSN 1411-1349

Gambar 11. Kekerasan sebagai fungsi kedalaman difusi untuk cuplikan mata bor pada suhu 525 ºC, waktu nitridasi 4 jam dan tekanan 1,8 mbar. Kekerasan maksimum adalah 168,2 VHN diperoleh pada tekanan 1,8 mbar. Didasarkan hasil kekerasan maksimum ini dilanjutkan proses nitridasi dengan variasi waktu yang hasilnya ditunjukkan pada Gambar 10. Dari variasi waktu dan tekanan proses nitridasi pada suhu 525 ºC diperoleh kekerasan maksimum 168,2 VHN pada waktu nitridasi 4 jam. Untuk mengetahui kedalaman difusi atom nitrogen dapat dilakukan uji kekerasan dalam arah potongan melintang yang hasilnya ditunjukkan pada Gambar 11. Hubungan antara difusi atom nitrogen dengan kekerasan adalah terbentuknya senyawa nitrida besi (FeN) yang mempunyai sifat sangat keras. Jadi dengan mengetahui kenaikan kekerasan sebagai fungsi kedalaman dari permukaan maka dapat menentukan indikasi terjadinya difusi nitrogen. Dari pengujian tersebut diindikasikan kedalaman difusi atom nitrogen sekitar 24,05 µm, pada kedalaman ini kekerasannya adalah 123,6 VHN sedangkan kekerasan awal (raw material) adalah 115,83 VHN. Jika dibandingkan antara kekerasan hasil uji nitridasi awal dengan kekerasan sebelum dinitridasi (raw material) didapatkan peningkatan kekerasan sebesar 45,18 %. Hasil ini mengindikasikan bahwa kinerja perangkat nitridasi ion/plasma bejana ganda telah berfungsi untuk proses nitridasi dan dapat meningkatkan kekerasannya.

KESIMPULAN Hasil kinerja perangkat nitridasi plasma/ion bejana ganda untuk peningkatan kekerasan permukaan bahan logam dapat disimpulkan sebagai berikut: Gambar 10. Kekerasan sebagai fungsi waktu nitridasi untuk cuplikan mata bor pada suhu 525 ºC dan tekanan 1,8 mbar.

KINERJA PERANGKAT NITRIDASI PLASMA/ION BEJANA GANDA UNTUK PERLAKUAN PERMUKAAN BAHAN LOGAM Suprapto, Saminto, Eko Priyono, Tjipto Sujitno

1. Tekanan operasi saat proses nitridasi sangat mempengaruhi besar arus dan tegangan catu daya sehingga menentukan kebutuhan waktu untuk pemanasan awal yaitu dari suhu kamar (sekitar 30 ºC) sampai dengan suhu antara 400 ºC sampai dengan 560 ºC. 51


2. Selama beroperasi untuk proses nitridasi pada kisaran suhu ruang plasma 525 ºC, suhu dinding pada kisaran 50 ºC sampai dengan 60 ºC sehingga cukup aman untuk pengoperasian. Suhu operasi ini dapat diatur jika diperlukan untuk proses nitridasi pada suhu operasi antara 400 ºC sampai dengan 560 Cº. 3. Uji untuk nitridasi awal diperoleh kekerasan maksimum 168,2 VHN dan indikasi kedalaman difusi atom nitrogen sekitar 24,05 µm, peningkatan kekerasan dibandingkan dengan kekerasan sebelum dinitridasi (raw material) adalah sebesar 45,18 %. Hasil ini mengindikasikan bahwa kinerja perangkat nitridasi ion/plasma bejana ganda telah berfungsi untuk proses nitridasi dan dapat meningkatkan kekerasannya.

UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: Sukidi, ST., Heri Sudarmanto, Untung Margono, Dwi Mulyanto, Sugeng Riyanto dan Sumarmo yang telah membantu dalam penyelesaian uji kinerja sampai terselesainya makalah ini.

ISSN 1411-1349

[7] WASA, K. and HAYAKAWA, S., Handbook of Sputter Depossition Tecnology, Nayes Publication, New York, 1992. [8] SUDJATMOKO, SUPRAPTO, Kajian Pengaruh Proses Nitridasi Ion Pada Sifat Mekanik Material Besi dan Paduannya, Prosiding PPI Penelitian Dasar Iptek Nuklir, Yogyakarta, 2008. [9] SUDJATMOKO, Modifikasi Permukaan Metal dan Paduannya dengan Teknik Nitridasi Plasma/Ion, Presentasi Roadmap PTAPBBATAN, Yogyakarta, 2008. [10] WIDDI USADA, Rancangan Dasar Sistem Elektroda, Dokumen Rancangan Dasar Perangkat Nitridasi Plasma Untuk Perlakuan dengan Sampel Changer Otomatis, PTAPBBATAN, Yogyakarta, 2009. [11] ROTH, A., Vacuum Technology, North-Holland Publishing Company, New York, 1979. [12] WIDDI USADA, Rancangan Detil Sistem Elektroda, Dokumen Rancangan Detil Perangkat Nitridasi Plasma Untuk Perlakuan dengan Sampel Changer Otomatis, PTAPB-BATAN, Yogyakarta, 2009.

ACUAN [1] SINHA, A.K., Physical Metallurgy Hanbook, McGraw-Hill, New York, 2003.

TANYA JAWAB

[2]

Hari Suryanto

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

[3] ALEXANDER W.O, Dasar-dasar Metalurgi untuk Rekayasawan, Penerbit Gramedia Pustaka Tama, 1991. Key-to-steel.com/Article/Art117. [4] http://www. htm, Nitriding. [5] http://www. Industrialheating.com/ArticleInfor/ 0,2832, 135158,00.htm, Ion Nitriding and Nitrocarburizing of Sintered PM Parts. [6] KONUMA, M., Film Deposition by Plasma Techniques, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 1992.


− Untuk memperdalam kekerasan yang dapat dicapai apa variabelnya (energi atau waktu)?. − Untuk benda kerja bentuk as (poros) apakah perlu diputar agar proses nitridasi merata? Suprapto − Kedalaman kekerasan atau difusi dipengaruhi waktu dan suhu proses, bukan energi. − Benda kerja bentuk as (poros) tidak perlu diputar karena sudah diselimuti plasma dan terdeposisi ion nitrogen.

52

ION BEJANA GANDA UNTUK PERLAKUAN PERMUKAAN BAHAN LOGAM

Recommend Documents