PengaruhImplantasi Ion Krom TerhadapKetahananLelah Baja Karbon Rendah (ZulJlanij)
PENGARUH IMPLANTASI ION KROM TERHADAP KETAHANAN LELAH BAJA KARBON RENDAH Zulhanif1, Mudjijana2 daDTjipto Suyitno3 IJurusan Teknik Mesin, FT -UNllA n. Prof. dr. Soemantri Brojonegoro No.1, Gedung Meneng, Bandar Lampung 2JurusanTeknik Mesin, FT -UGM JI. Grafika 2, Yogyakarta Jpusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Maju (P3TM) -BATAN, JI. Babarsari, Kotak Pas : 8 Yogyakarta 5500
ABSTRAK PENGARUH IMPLANTASI ION KROM TERHADAP KETAHANAN LELAH BAJA KARBON RENDAH. Telah dilakukan penelitian pengaruh implantasi ion krom terhadap ketahanan lelah baja karbon rendah. Bahan dari baja karbon rendah dengan diameter 16 mm, dibuat benda uji lelah menurut standarASTM E 466. Proses implantasi ion dilakukan variabel dosis dan energi ion menggunakan akseleratorion jenis Cockr;oft Walton. Pengujian ketahananlelah dilakukan dengan mesin rotary bending pactabenda uji tanpa implantasi dan yang diimplantasi pactakondisi suhu kamar, suhu 250 °C, dan di annealing. Sebagaitambahan dilakukan pengujian sifat fisik dan mekanik seperti kekerasan,kekasaranpermukaan, bentuk permukaan patahan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa proses chromizing denganimplantasi ion krom mengubah kekerasan, kekasaran permukaan dan ketahanan lelah baja karbon rendah menjadi lebih baik. Angka kekerasan optimum dicapai pactadosis 5,234xl015 ion/cm2 dan energi 80 keY yaitu sekitar 305 VHN 0,01 sedangkan kekerasan awal adalah sekitar 206 VHN 0,01, artinya terjadi peningkatan kekerasan sekitar 50%. Strukturmikro lapisan yang dihasilkan tampak lebih kecil dari rase induknya dan kekasaran permukaan lebih halus. Implantasi ion krom pactasuhu kamar meningkatkan ketahananlelah 7,1 %, dan pactasuhu 250 °C menurunkan ketahanan lelah 6,6 %, dan pactakondisi annealing tidak banyak pengaruhnya.
Kala kunci : Chromizing,implantasiion, ketahananlelah
ABSTRACT THE INFLUENCE OF CHROMIUM ION IMPLANTATION ON THE FATIGUE RESISTANCE OF LOW CARBON STEEL The effect of chromium ion implantation on the tatigue resistance of low carbon steelhas beeninvestigated. The 16 mm diameters low carbon steel is used as fatigue specimen according to ASTM E 466 standard. The ion implantation processis done at dose and ion energyto obtain optimum hardness using a Cockroft Walton ion accelerator.Using rotary bending machine toward the unimplantation testing material and the implantation one at room temperature, 250 DC,and annealing conditions were carried out fatigue resistancetesting. As support testing, had beentested physical and mechanical properties that consists of the testing of micro hardness,surface roughness,micro and macro observation. The researchresulted that chromizing process, which use chromium ion implantation, has changed the hardness,surface roughness,and fatigue resistance of the low carbon steel become better. Optimum hardnessreached at the dose of 5.234 x 1015ionlcm2 and energy 80 keY is approximately at 305 VHN 0.01, compare with the first hardness that is approximately at 206 VHN 0.01. So, it was up about 50%. The microstructure of the produced coat is seen denser than the former phase, and the surface roughness is more smooth. The chromium ion implantation on law carbon steel can increase on fatigue resistance at room temperature of 7.1%, can decreaseon fatigue resistance at 250 DCof 6.6 %, and is uneffected on the annealing condition. Key words: Chromizing, ion implantation, fatigue resistance
PENDAHULUAN Dalam penggunaan bahan untuk peralatan pemesinan dipilih bahan dengan biaya pembuatannya relatif murahdan mempunyai sifat fisik dan mekanikbaik. Sifat fisik dan mekanik dari baja karbon sangatditentukan oleh unsur kandungannya. Chromium merupakan salah satu unsur yang banyak dipakai untuk pelapisan permukaanlogam, di mana penambahanchromiumpada permukan logam dapat memperbaiki sifat fisik daD
mekanik permukaan logam. Logam yang dilapisi chromium lebih tahan korosi dan lebih tahan aus [1]. Pelapisan permukaan logam dengan chromium biasanya dipakai dengan metode electro plating ataupun pack cementation. Pactametoda pack cementation dilakukan pacta suhu yang re1atif tinggi. Proses tersebut sangat memungkinkan terjadinya thermal stresc'i dan pembesaran ukuran butir bahan. Hal ini dapat
~
Prosiding Pertemuanllmiah llmu Pengetahuandon TeknologiBahan 2002 Serpong,22 -23 Oktober2002 menurunkan kekuatan lelah bahan tersebut. Implantasi ion merupakan salah satu jenis perlakuan yang dilakukan pada permukaan logam yang bertujuan memperbaiki sifat-sifat permukaan logam tersebut. Kelebihan dati teknik implantasi ion diantaranya adalah prosesdapat dilakukan dalam waktu yang relatif cepat, tidak menyebabkan terjadinya thermal stress,karenaprosespengeIjaan dilakukan pada suhukamar [2]. Selamaprosesimplantasi, ion-ion dopan ditembakkan ke bahan target, sehingga ion-ion dopan akan kehilangan energi daDakhirnya berhentipadajarak tertentu dati permukaan target [3]. Penelitian ini bertujuan menyelidiki pengaruh irnplantasiion krom terhadapketahanan lelah baja karbon rendah.. Lelah (fatigue)menumtASM (1975)didefinisikan
diimplantasi dan diimplantasi pada kondisi kekerasan optimum diuji lelah menggunakan mesin Rota,:y bending dengan variasi pada suhu kamal, 250 °C, dan di annealing. "4nnealing dilakukan pada suhu 900 °C dan ditahan selama30 menit. Tabell.
persamaan[5]. a= WL/2
;l32d3kg
dengan, 0-
W d
Komposisi
Unsur
unsur bahan uji (% berat)
% (berat)
Unsur
0,004
0,065
0,001
0,362
0,000
0,012
0,000
0,021
0,000
~
0,039 0,011
0,107
0,008
0,081
0,000
g '
% (berat)
99,15
0,069
sebagai proses perubahan struktur permanen progre.s.~ive/oca/izedbahan yang berada pada kondisi yang menghasilkan fluktuasi regangan daDtegangan di bawah kekuatan tariknya, pada satu titik atau banyak titik yang dapat bermuara menjadi retakan (crack) atau patahan (fracture). Hotta et al. [4] meneliti pengaruh kombinasi teknik pelapisan terhadap ketahanan lelah baja karbon rendah. Hasil penelitian menunjukkan : ( 1). kekuatan lelah ditentukan oleh kekuatan patah dari logam dasar daD tergantung tegangan sisa lapisan permukaan, (2) pelapisan dengan chromium plating menumnkan kekuatan lelah. Pengujian lelah dilakukan dengan mesinRotary bending. Jika benda uji diputar dan diberi beban, maka akan terjadi momen lentur padabendauji. Momen lentur ini menyebabkan terjadinya tegangan lentur pada permukaan benda uji daD besarnya dihitung dengan
ISSN1411-2213
.N9
:
{, Gambar 1. Benda\lji lelah (fatigue)
BASIL DAN PEMBABASAN Basil PengujianStrukturmikro Hasil uji strnkturmikro terlihat pada Gambar2 danGambar3.
/ cm;
= Teganganlentur ( kg/mm2 ) = Beban lentur (kg.mm) = Diameterbenda uji (mm)
TATAKERJA Delapan benda uji dengan komposisi un sur disajikan pada Tabel 1 berdiameter 16 mm dan tebal 10 rom diimplantasi dengan ion krom menggunakan akselerator ion jenis Cockroft Walton dengan 4 variasi energi dan dosis (waktu), kemudian dilakukan uji kekerasanmikro ~ ckers dengan beban10 grf. Benda uji pada permukaandan penampangmelintang sebelumdan setelah diimplantasi pada kondisi kekerasan optimum diamati strukturmikronya. Disamping itu sebanyak 3 benda uji sebelumdan sesudahdiimplantasi ion krom pada kondisi kekerasan optimum diuji kekasaran permukaannya. Tujuh puluh dua benda uji lelah (Gambar 1) menurut standar ASTM E 466 tanpa
(b) Gambar 2. (a) Strukturmikro benda uji sebelum diimplantasi, (b) Strukturmikro benda uji setelah prosesimplantasi dengankekerasan305 VHN 0,1.
Pengaruh Implantasi Ion Krom TerhadapKetahananLelah Baja Karbon Rendah (Zulhanif)
Strukturmikro bahan uji setelah diimplantasi ion krom terlihat mengalami pembahaan, tampak stmktur pada Gambar 3 menjadi lebih kecil daDtimbulnya rasa ham. Fasa ini dimungkinkan FeCr yang mempakan senyawa ion chromium yang ditembakkan dengan ion besi.
mengeser atQm-atom Fe dan mensubstitusi sampai kepadatan atom mencapai kekerasan maksimum. Peningkatan dosis selanjutnya akan menurunkan nilai kekerasanpermukaan karena terjadi kekosongan atomatom Fe atau atom yang ditembakkan masuk lebih jauh dari permukaan. Ion yang ditembakkan akan membentuk lapisan amorf pada permukaan target [7].
350 ~ 0
0" 300 z :I:
?.
250
I:
tU II)
200
tU
Qj
Gombar 3. Bentuk strukturmikro bendauji pada penampang melintang yang mempunyai 305 VHN 0,01
Pengaruh implantasi ion krom pada penampang melintang benda uji tampak bahwa dipermukaan benda mempunyai struktunnikro lebih halus dibanding dengan di bagian dalam. Ion krom yang masuk ke permukaan benda uji dapat secara subsitusikarenajari-jari ion krorn 0,063 nm danjari-jari ion besi 0,074urn. Basil Pengujian Kekasaran Pennukaan Hasil pengujian kekasaran perrnukaan disajikan pada Tabel 3.
~ 150 QJ
~
100
Basil PengujianLelah Dari basil pengujian lelah yang dilakukan terhadapbenda uji didapatkan data dalam bentuk grafik S-N. Pengujian lelah dilakukan pada 3 kondisi pengujian
yaitu: a. b. c.
Pengujian pada suhu kamar Pengujian pada suhu 250 °C Pengujian setelah bahan uji dilakukan proses annealing
Ketiga kondisi diatas dibedakanantara sebelum diimplantasi ion dengan sesudahdiimplantasi ion. Hasil kekasaranpefi11ukaanmenunjukkan bahwa setelah proses implantasi ion krom tingkat kekasaran permukaannya lebih halus. Hal ini disebabkan pefi11ukaanbenda uji yang ditembak dengan ion krom mempunyai stmktUm1ikro menjadi lebih halus sehingga memperhaluspefi11ukaanlogam. Basil Pengujian Kekerasan Hasil pengujian kekerasan untuk bahan dasar diperoleh harga kekerasan rata-rata sebesar206 VHN 0,01. Hasil pengujian kekerasansetelah dilakukan proses implantasi ion krom untuk mendapatkan kekerasan optimum dimnjukkan pada Gambar4. Hasil pengujian kekerasan menunjukkan bahwa kekerasanoptimum terjadi pada kondisi penembakanion krom dengan energi 80 keY selama waktu 70 menit. Kekerasan yang didapatkan pada kondisi tersebut adalah 305 VHN 0,01, meningkat sebesar50 % daTi kekerasan awal bahan dasar. Semakintinggi dosis ion krom (semakinlamanya waktu implantasi) cacat-cacatkristal yang terbentukakan semakin banyak[6]. Ion-ion yang ditembakkan (Cr)
.Non impiantasi temperanlrkamar A Non impiantasidianeaJing a Diimpiantasitemperan" 250'c
Slklus (N) a Non impiantasiSuhll250 .Diimpiantasi suhukamar 0 DiimpiantasianeaJiJlg
Gambar 5. Kurva SoN pengujian lelah
Dan grafik basil pengujian lelah dapat diamati terjadi penurunan ketahanan lelah untuk benda uji yang diannealing. Hal ini sangatdimungkinkan terjadi, karena setelahproses annealing, bahan mengalami pelunakan. Tujuan perlakuan ann~aling pacta bahan dasar dalam pengujian ini adalah mengurangi tegangan sisa pacta bahan daD mengetahui pengaruhnya terhadap ketahanan lelah bahan tersebut.
107
Prosiding Pertemuan llmiah llmu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2002 Serpong, 22 -23 Oktober 2002
Kurva yang didapatkan untuk benda uji yang mengalami proses annealing lebih mulus, jangkauan pembebananyang dilakukan lebih kecil. Pactaperbedaan pembebanan yang kecil sudah dapat dihasilkan perbedaansiklus lelah yang besar. Pengujian pacta suhu 250 °C terlihat kurva lebih bergeserkearah atas,hal ini berarti terjadi peningkatan ketahananlelah. Kondisi ini dipilih karena menurut teori ketahananlelah rnaksimum untuk baja lunak adalahpacta suhu400 Of sampai dengan 600 Of (200 °C- 325 °C)[8]. Pactasuhukamar terjadi peningkatan ketahanan lelah sebesar7, I %. Hal ini terjadi karena setelahbenda uji mengalami proses implantasi ion krom terjadi penambahan tegangan sisa pactapermukaan benda uji. Pacta benda uji yang mengalami proses annealing sebelumnya tidak tampak perubahan ketahanan lelah yang cukup berarti, hanya terjadi sedikit peningkatan pactasiklus yang rendah. Pengujian pacta suhu 250 °C ketahananlelah benda uji mengalami sedikit penurunan yaitu sebesar6,6, %. Hal ini dimungkinkan terbentuk rasabarn (FeCr) setelahprosesimplantasi ion krom yang akan menurunkan kekuatan tarik [9] dan akan menurunkan pula kekuatan lelahnya, dan pacta kodisi suhu ini terjadi proses tempering yang menurunkan kekuatan bahan.
di pennukaanbenda uji tidak sebesarpadasobekanpada bahan dasar. lni menunjukkan bahwa implantasi ion chromium dapat menurunkan keuletan baja di pennukaan. Pengujian pada suhu 250 °C, bentuk patahan yangberupa garis-garis slip (striations) pada permukaan terlihat lebihjelas. Hal ini disebabkan pengujian pada suhu 250 °C bahan uji menjadi ulet yang akan memperjelasgaris-garis slipnya. Pengujian pada kondisi proses annealing bentuk patahan lebih tidak teratur, hat ini disebabkan bahan baja karbon rendah setelah diploses annealing menjadi lebih ulet.
Fino/fai/ure
(a)
Retak owo!
(b)
Fino/fai/ure
(c)
Gambar 7. Bentuk patahan setelah prosesimplantasi ion, (a). Pengujianpadasuhu kamar, (b).Pengujianpada suhu 250 DC,(c). Pengujian setelah benda dilakukan prosesannealing
Basil PengujianFotomakro Dan PatahanBendaUji Bentuk patahanbenda uji ditunjukkan pada Gambar6danGambar7 :
ISSN1411-2213
KESIMPULAN Dan basil penelitian dan pembahasan dapat disimpulkan : 1. Kekerasanawalbahan dasar206 VHN 0,01 menjadi 305 VHN 0,01 setelah diimplantasi ion krom pada energi 80 keY dan waktu 70 menit (5,234 x 1015ion/cm2), peningkatan kekerasan permukaanbaja karbon rendah sekitar 50 %. 2. Angka kekasaran permukaan baja dari Ra = 0,11 menjadi Ra = 0,08
Retakawa!
Fina/fa;/ure R.tak awal
(a)
(b)
Gambar 6. Bentuk patahan sebelum proses implantasi ion, (a) Pengujian pada suhu kamar, (b).Pengujian pada suhu 250 .C, (c) Pengujian setelah benda dilakukan
3.
Pada pengujian suhu kamar terjadi sedikit peningkatan ketahanan lelah baja karbon rendah 7,1 %, pada pengujian pada suhu 250 °C terjadi penurunanketahananlelah 6,6 % dan pada kondisi annealing tidak banyak pengaruhnya.
proses annealing
Retakawal dimulai pada suatutitik dipennukaan bendauji, yang kemudian merambat dan akhimya patah pada titik yang bertolak belakang dengan titik dimana retak awal dimulai. Dilihat daTibentuk patahan, bahan uji pada penelitian ini tergolong jenis baja lunak daD ulet. lni terlihat daTisobekanbenda uji yang begitubesar. Disamping itu, adanya garis-garis slip (striations), yang ditunjukkan oleh bidang lebih gelap yang lebih besar dengan luas bidang terang (mengkilap) menunjukkan bahwa benda uji patah pada tegangan nominal yang rendah. Agak berbeda dengan bentuk patahan bahan yang diimplantasi dengan chromium (Garnbar7), sobekan
UCAPAN TERIMA KASm Ucapan terima kasih khususnya kepada DepartemenPendidikanNasionalDitjen DIKTI yang telah memberikanbantuan dana penelitian melalui proyekEEDP
[7].
PengaruhImplantasi Ion Krom TerhadapKetahananLelah Baja Karbon Rendah (ZuUlanif)
DAFTARPUSTAKA [1]. POLUKHIN, P., GRINBERG, B., KATENIK, S., ZHADAN, Y, V ASILYEV, D.,Metal Proces.\' Engineering, Fourth Printing, Mir Publisher, Moscow (1977) [2]. ASHWORTH, V., GRANT, W.A., PROCTER, R.P.M., Ion Implantation into Metal, Pergamon Press,New York (1982) [3J. D EARNALEY;G., FREE[\.1AN,H.H,NELSON.,RS., and STEPHEN, J. Ion Implantation. North Holland publishing Company Co. New York [4]. HOTTA, S., SARUKI,K., and ARAI, T., Endurance Limit of Thin hard-Coated Steels in bending Fatigue, Surface and Coating Techology, 70, (1994) 121-129 [5]. International For Use of ONO 'S, High Suhue Rotating Bending Fatigue Testing Machine, Model H6 [6]. HERMAN, H., Modification of The Surface Mechanical Properties of Ferrous Alloys by Nitrogen Ion Implantation, Ion Implantation Into Metals, Ed. Ashwortth, V., Grant, W.A., dan Procter, R.P.M., Pergamon Press Ltd., New York,
[8].
[9]
(1982) KRAUSS, G., Priciples ofHeat Treatment ofSteel, AMAX Foundation Professor, Department of Metallurgical Engineering, Colorado School of Mines. (1980) DIETER, GEORGE E., Metalurgi Mekanik,Jilid I, edisi ketiga, alih bahasa oleh Sriati Djaprie, Erlangga , Jakarta (1987) SURDIA, T., SAITO, S., Pengetahuan Bahan Teknik,Pradnya Paramita, Jakarta (1985)
Ke Daftar Isi
