PENGARUH IMPLANTASI ION TITANIUM NITRIDA DAN ION NITROGEN TERHADAP KEKERASAN DAN KETAHANAN AUS MATERIAL AXIAL BALL BEARING MRK 51104

SEMINAR NASIONAL ke 8 Tahun 2013 : Rekayasa Teknologi Industri dan Informasi

PENGARUH IMPLANTASI ION TITANIUM NITRIDA DAN ION NITROGEN TERHADAP KEKERASAN DAN KETAHANAN AUS MATERIAL AXIAL BALL BEARING MRK 51104 Priyo Tri Iswanto1 Angga Wijaya Narwa Putra2 dan Sunardi3 Jurusan Teknik Mesin dan Industri Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada Jl. Grafika No.2 Yogyakarta 55281 2 Alumni Jurusan Teknik Mesin dan Industri Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada Jl. Grafika No.2 Yogyakarta 55281 3 Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Yogyakarta Jl. Lingkar Selatan, Tamantirto, Kasihan, Bantul, Yogyakarta 55183 email : [email protected] 1

ABSTRAK Pada dasarnya kegagalan struktur sangat sensitive terhadap kondisi permukaan material dan dalam banyak kasus, retak fatik dimulai dari permukaan material yang disebabkan oleh beban berulang. Kegagalan fatigue ini mempunyai andil kirakira 90% dari seluruh kegagalan struktur yang umumnya berakhir pada perpatahan (fracture). Optimasi sifat-sifat permukaan material akan sangat effectif memperbaiki sifat-sifat material. Oleh karena itu teknologi perlakuan permukaan seperti; shotpeening, rolling, sputtering, nitriding, heat treatment dan ion implantation terus dikembangkan untuk memperbaiki ketahanan material terhadap fatik dan gesekan. Retak pada daerah dengan konsentrasi tegangan yang tinggi dapat tumbuh dengan berbagai ukuran karena pembebanan dinamis adalah penyebab utama dari suatu kegagalan. Oleh karena itu permukaan material yang bergesekan perlu direkayasa dengan diperkeras dan dibuat menjadi lebih tahan aus, yang dalam penelitian ini dilakukan dengan implantasi ion titanium nitrida dan ion nitrogen. Tujuan dari penelitian ini adalah mengetahui pengaruh implantasi ion titanium nitrida dan ion nitrogen terhadap kekerasan dan ketahanan aus permukaan material axial ball bearing MRK 51104. Proses implantasi dilakukan pada material penyusun axial ball bearing menggunakan mesin implantor ion dengan energi 100keV dan arus 10µA. Besarnya energi ion akan menentukan ketebalan lapisan yang ingin dicapai sedangkan dosis ion yang berbanding lurus dengan waktu implantasi ion akan menentukan jumlah atom yang diimplantasikan. Pada penelitian ini dipilih dua jenis ion dopan yaitu titanium nitrida dan nitrogen dengan variasi waktu implantasi ion 0, 15, 30, 45, 60, 75, 90, 105, 120, 135, dan 150 menit. Setelah diimplantasi ion specimen diuji kekerasan dengan menggunakan alat mickro Vicker hardness tester dan diuji keausan dengan menggunakan alat Ogoshi high speed universal wear testing machine type OAT-U. Selain itu juga dilakukan uji komposisi kimia pada base material dan pengamatan struktur mikro. Kekerasan optimum pada material yang telah diimplantasi titanium nitrida terjadi pada saat lama implantasi 75 menit. Pada kondisi ini tingkat kekerasannya mencapai 180% dari base metal. Sedangkan material yang diimplantasi ion nitrogen, kondisi optimum diperoleh pada saat lama implantasi 60 menit, dengan tingkat kekerasan mencapai 608,8 VHN. Keausan optimum yang diperoleh dari material yang diimplantasi titanium nitrida terjadi pada saat lama implantasi 75 menit dengan specific abrasion sebesar 0,829453.10-7 mm3/kg.mm. Sedangkan nilai optimum pada material yang diimplantasi nitrogen adalah 0,965343.10-7 mm3/kg mm terjadi saat lama implantasi 60 menit. Kata kunci : Implantasi ion, TiN, Nitrogen, keausan, kekerasan

PENDAHULUAN Pada dasarnya kegagalan struktur sangat sensitive terhadap kondisi permukaan material dan dalam banyak kasus, retak fatik dimulai dari permukaan material. Hal tersebut secara sederhana dapat dibuktikan dengan melihat distribusi tegangan dari batang yang dibebani momen lengkung atau poros yang dibebani puntiran, dimana tegangan maksimum terjadi di permukaan batang atau poros sedangkan di sumbu netral (tengah-tengah batang/poros) besar tegangan adalah nol. Sehingga optimasi sifat-sifat permukaan material akan sangat effectif memperbaiki sifat-sifat material secara keseluruhan. Oleh karena itu teknologi perlakuan permukaan seperti; shot-peening, rolling, sputtering, nitriding, heat treatment dan ion implantation terus dikembangkan untuk memperbaiki ketahanan material terhadap

fatik dan gesekan (Benantine 1990, Frost 1974, Fuchs 1980, Colline 1981, Nishida 2000, 2005, Yokobori 1968, Iswanto 2002, 2006, Avner 1987, Greinger 1989, Ryssel 1986, Vashwort 1982 ). Implantasi ion adalah suatu proses dengan cara menambahkan/menyisipkan atom dopan dalam bentuk ion berkecepatan tinggi/tembakan atom yang dihasilkan oleh akselerator pada permukaan suatu logam yang akan dilapisi (Ryssel 1986). Secara ilmu pengetahuan pada implantasi ion telah terjadi bypass aturan termodinamika dalam pembentukan alloy larutan padat non konvensional dan tipe baru metastable phase (Smallman, 1999). Kelebihan dari teknik implantasi ion antara lain adalah; kecepatan, homogenitas dan reprodusibilitas, serta akurasi dari proses doping (Ryssel, 1986). Para peneliti lain lebih tertarik mencari kondisi optimum dari suatu proses

SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 Desember 2013

M 146


implantasi ion (Iwaki 1989, Mudjiman 1996, Susita 1996, Mahakarrta 1997, Sonobe 1996, Ferrier 1997, Purwanto 2003, Iswanto 2010), namun pada penelitian ini tujuan dari penelitian adalah mengetahui pengaruh implantasi ion titanium nitrida dan ion nitrogen terhadap kekerasan dan ketahanan aus permukaan material axial ball bearing MRK 51104. METODE PENELITIAN Tahap awal penyiapan benda uji adalah pemotongan bantalan menggunakan Electrical Discharge Machine (EDM). EDM digunakan untuk menghindari panas yang berlebihan. Setelah itu dilakukan pembentukan persegi menggunakan mesin gerinda dilanjutkan penghalusan menggunakan kertas amplas dari ukuran 600 mesh sampai 2000 mesh dan dilanjutkan pemolesan menggunakan pasta intan/autosol/pasta gigi. Tahap terakhir adalah pencucian dengan air mengalir yang dicampur detergen, selanjutnya dikeringkan. Benda uji siap diimplantasi. Penelitian ini menggunakan dua jenis ion dopan yaitu titanium nitrida (TiN) dan ion Nitrogen (N). TiN yang digunakan adalah TiN 99%, sedangkan gas Nitrogen yang digunakan adalah gas Nitrogen murni dengan kemurnian 99,9%. Energi ion menentukan ketebalan lapisan sedangkan dosis ion menentukan jumlah atom yang harus diimplantasikan. Dosis ion yang terdifusi menentukan sifat-sifat permukaan material. Pada penelitian ini menggunakan energi dan arus yang dipertahankan tetap sebesar 100 keV dan 10 mA. Parameter yang divariasi adalah dosis, yang berbanding lurus dengan waktu. Parameter waktu ditetapkan antara 0 sampai dengan 150 menit dengan selang 15 menit. Proses implantasi ion titanium nitrida (TiN) dan nitrogen (N) dilakukan menggunakan akselerator implantansi ion milik P3TM-BATAN. Penelitian ini melakukan implantasi ion titanium nitrida (TiN) dan nitrogen pada permukaan material penyusun axial ball bearing. Proses implantsi ion terdiri empat tahapan yaitu proses permulaan (start up), penghampaan mesin, implantasi ion dan penghilangan sistem hampa. Sifat-sifat mikro maupun sifat makro permukaan material akan berubah akibat implantasi ion. Karakterisasi merupakan bukti dari keberhasilan atau kegagalan proses implantasi ion yang dilakukan dengan uji kekerasan, uji keausan dan pengamatan struktur mikro menggunakan mikroskop optik.

Pengujian komposisi kimia dilakukan pada raw material, dan dihasilkan komposisi seperti tersaji pada tabel 1. Uji kekerasan Kekerasan menyatakan ketahanan terhadap deformasi dan untuk logam sifat tersebut merupakan ukuran ketahanannya terhadap deformasi plastik atau deformasi permanen. Penelitian ini menggunakan uji kekerasan mikro Vickers. Uji kekerasan Vickers menggunakan penumbuk piramida intan yang dasarnya berbentuk bujur sangkar. Besarya sudut antara permukaan-permukaan piramid yang saling berhadapan adalah 136°. Angka kekerasan piramida intan atau angka kekerasan Vickers (VHN) didefinisikan sebagai beban dibagi dengan luas permukaan lekukan. Hubungan kekerasan terhadap lama waktu implantasi ion tersaji pada gambar 1 di atas. Kekerasan optimum pada material yang telah diimplantasi titanium nitrida terjadi pada saat lama implantasi ion 75 menit yaitu sebesar 682 VHN. Pada kondisi ini, tingkat kekerasannya mencapai 180% dari raw material. Material yang telah diimplantasi ion titanium nitrida selama 75 menit ini memiliki kekerasan 1.8 kali dari material yang belum diimplantasi. Sedangkan material yang diimplantasi ion nitrogen, kondisi kekerasan optimum diperoleh pada saat lama implantasi ion nitrogen 60 menit, dengan tingkat kekerasan mencapai 608,8 VHN atau meningkat 1.6 kali dibandingkan dengan material yang belum diimplantasi. Tabel 1. Komposisi kimia

Unsur

%

Unsur

%

C Si S P Mn Ni Cr Mo Cu

1,0350 0,3465 0,0006 0,0057 0,3458 0,0411 1,1799 0,014 0,1353

W Ti Sn Al Pb Ca Zn Fe

0,0053 0,0046 0,0066 0,0534 0,0102 0,0029 0,0089 96,80

DATA DAN PEMBAHASAN Uji komposisi kimia


M 147


6

650

Ion TiN

600

Ion N

Kekerasan VHN

550 500 450 400 350 300 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 Waktu implantasi ion (menit)

Gambar 1. Hubungan kekerasan terhadap waktu implantasi ion. Uji keausan Penelitian ini menggunakan Ogoshi high speed universal wear testing machine (Tipe OAT-U) untuk menguji keausan spesimen. Prinsip kerjanya yaitu dengan menggesekkan abrasive disc dengan kecepatan tertentu pada suatu permukaan spesimen. Abrasive disc tersebut diberi tekanan kontak tertentu. Hasilnya spesimen akan kehilangan sebagian lapisan permukaan atas. Harga keausan pada raw material sebelum diimplantasi adalah 5,3551.10-7 mm3/kg.mm. Harga keausan optimum pada material yang telah diimplantasi dengan ion TiN adalah 0,829453.10-7 mm3/kg.mm, yang terjadi pada saat lama proses implantasi ion 75 menit. Sedangkan Harga keausan optimum yang terjadi pada material yang diimplantasi ion nitrogen adalah 0,965343.10-7 mm3/kg.mm terjadi pada saat lama proses implantasi ion 60 menit. Hal yang perlu diberi perhatian pada pengujian keausan adalah semakin kecil nilainya keausannya berarti material tersebut mempunyai sifat semakin tahan terhadap keausan atau beban gesekan. Hasil dari penelitian ini juga dapat disimpulkan bahwa harga kekerasan memiliki korelasi terhadap harga keausan, yang menunjukan bahwa kekerasan material berbanding lurus terhadap ketahanan aus. Logam dapat mengalami dua macam deformasi, yaitu deformasi elastis dan deformasi plastis. Deformasi plastis bersifat permanen dan kekuatan dan kekerasan yang terukur dari suatu logam adalah resistansi terhadap deformasi ini. Jika dipandang dari sudut mikroskopis, deformasi plastis adalah bersesuaian dengan pergerakan dalam jumlah besar atom pada saat terjadi dislokasi dalam rangka merespon tegangan geser yang bekerja.

Keausan x 10-7 (mm3/kgmm)

700

Ion TiN

5

Ion N

4 3 2 1 0 0

15

30

45

60

75

90 105 120 135 150

Waktu implantasi ion (menit)

Gambar 2. Hubungan keausan terhadap waktu implantasi ion. Selama proses dislokasi terjadi pemutusan ikatan antar atom dan kemudian terjadi ikatan antar atom kembali. Sebagai contoh dislokasi sisi bergerak dalam rangka merespon tegangan geser yang bekerja. Proses terjadinya deformasi plastis karena pergerakan dislokasi disebut dengan slip; bidang kristalografi sepanjang garis dislokasi disebut dengan bidang slip. Secara makroskopik deformasi plastis adalah deformasi permanen sebagai akibat pergerakan dislokasi atau slip karena tegangan geser. Pergerakan dislokasi mempunyai tingkat kesulitan yang berbeda pada bidang kristalografi. Biasanya ada bidang dan arah kristalografi khusus yang mudah/sering terjadi pergerakan dislokasi. Bidang dan arah tersebut disebut bidang dan arah slip, dimana kombinasi keduanya disebut sistem slip. Sistem slip tergantung pada struktur kristal logam dan terjadi pada jumlah atom minimum yang mengikuti pergerakan. Logam yang mempunyai struktur kristal dengan banyak sistem slip menjadikanya lebih ulet, karena dimungkinkan deformasi plastis secara ektensif dan sebaliknya logam dengan sedikit sistem slip menjadikanya kuat tetapi getas. Dari uraian di depan dapat dimengerti bahwa ada hubungan antara pergerakan dislokasi dengan sifat-sifat mekanis logam. Kemampuan logam untuk terdeformasi secara plastis tergantung pada kemampuan dari mobilitas dislokasi. Karena kekerasan dan kekuatan (yield, tensile) dihubungkan dengan mudah sulitnya deformasi plastis dapat terjadi, maka dengan mengurangi mobilitas dislokasi peningkatan kekuatan mekanis dapat terjadi. Hal tersebut dapat dilakukan dengan menyisipkan atom/ion asing kedalam suatu struktur kristal logam, secara sederhana dengan memberikan rintangan terhadap mobilitas dislokasi maka material akan menjadi lebih keras dan kuat. KESIMPULAN Kekerasan optimum material yang diimplantasi ion TiN terjadi pada saat lama implantasi ion 75 menit sebesar 682 VHN atau 180% harga kekerasan


M 148


dari raw material. Kekerasan optimum material yang diimplantasi ion N terjadi pada saat lama implantasi ion 60 menit sebesar 609 VHN atau 160% dari kekerasan raw material. Harga keausan optimum material yang diimplantasi ion TiN adalah 0,829453.10-7 mm3/kg.mm, yang terjadi pada lama proses implantasi ion 75 menit atau 645% lebih baik (lebih kecil) dari harga keausan raw material. Harga keausan optimum material yang diimplantasi ion N adalah 0,965343.10-7 mm3/kg.mm, yang terjadi pada lama proses implantasi ion 60 menit atau 555% lebih baik (lebih kecil) dari harga keausan raw material. DAFTAR PUSTAKA Avner, S.H., 1987, Introduction to Physical Metallurgy, Mc Graw Hill Book Company, New York Banantine JA, Comer JJ, Handrock JL, 1990, Fundamental of Metal Fatigue Analysis, PrenticeHall, Inc. Callister Jr. W.D., 2000, Fundamental of Material Science and Engineering, John Willey and Son Dearnaley, G., Freeman, J.H., Nelson, R.S. ang Stephen, J., 1973, Ion Implantation, Harwell, England Duga, J.J., Fisher, W.H., Buxbaum, R.W., Roenfield, A.R., Burh, A.R., Honton, E.J., and McMillan, S.C., March 1983, NBS Special Publication 647-2, US Department of Commerce, Washington. DC. Frost NE, Marsh KJ, Pook LP, 1974, Metal Fatigue, Oxford University Press. Ferrier, J.A.M., Costa, J.D.M., and Lapa, V., 1997, Fatigue Behaviour of 42CrMo4 Steel with PVD Coating, Int. J. Fatigue Vol. 19, No. 4, pp. 293 Grainer, S.,1989, Engineering Coating, Design and Application, 1st Edition, Abington Publishing, England. H.O. Fuchs, R.I.Stephens, 1980 Metal Fatigue in Engineering, John Wiley & Sons. Iwaki, M., 1989, Formation of Metal Surface Layer with High Performance by Ion Implantation, Nuclear Instrument and Methods in Physics Research, Vol. 38, hal. 661-666 J. A. Collins, 1981, Failure of Materials in Mechanical Design, John Wiley & Sons. Man JY. 1990., Bibiliography on the fatigue of materials, components and structures, Vol 1-4, covering 1838-1969. Pergamon Press. Mahakarta, N., 1997, Pengaruh Dosis dan Energi Ion Nitrogen terhadap Kekerasan Mikro Baja AISI H 13, UGM, Yogyakarta. Mujiman, S., Tjipto Sujitno, Sudjatmoko, 1996, Nitridasi Aluminium AA 2024 T3 Dengan

Teknik Plasma Lucutan Pijar, P3TM – Batan, Yogyakarta Ogoshi, 1987, Instruction Manual,Ogoshi High Speed Universal Wear Testing Machine (Type OAT-U), Jepang. P.T. Iswanto, S. Nishida, N. Hattori, 2004, Effect of roller-working and mean stress on fatique strength of ferritic stainless steel, Strength Fracture and Complexity Inter. J., Vol. 2-3. pp.127-135. P.T. Iswanto, S. Nishida, N. Hattori, Y. Kawakami, 2006, Effect of roller-working on fatique strength Improvement of Notched Structural Stainless Steel, Key Eng. Mater. J., Vol. 306308. 151-156. P.T. Iswanto, S. Nishida, N. Hattori, I. Usui, 2006, Influence of residual Sterss and Mean Stress on Fatique Sterngth Improvement of Austenitic Stainless Steel, Strength Fracture and Complexity Inter. J., Vol. 306-308. P.T. Iswanto, 2006, A Comprehensive Study on the Influence of Mean Stress and Residual Stress on Fatigue Properties of Structural Stainless Steels, PhD. Dessertation. P.T. Iswanto, S. Nishida, N.Hattori, 2006, Influence of Mean Stress on the Stress- Controlled Fatigue of Structural Stainless Steels, Japan Soc. Str. Fracture Mats. Inter. J. Purwanto, Viktor Malau, Tjipto Sujitno, 2003, Pengaruh Lama Nitridasi Dengan Teknik Plasma terhadap Kekerasan Permukaan dan Ketahanan Lelah Baja Poros DIN 42CrMo4 (AISI 4140), Prosiding Seminar Nasional Perkembangan Riset dan Teknologi di Bidang Industri, 2003, pp. 50-54. Ryssel,H. and Ruge,I, 1986, Ion Implantation, John Willey & Sons, New York S. Nishida, 1992, Failure Analysis in Engineering Application, Butterworth Heinemann. S. Nishida, N. Hattori, T. Shimizu, P.T. Iswanto, 2006, Pulsating Fatigue Properties of Stainless Steels, Key Engineering Material Journal, Vol. 306-308. pp. 103-108 S. Nishida, N. Hattori, S.W. Wang, J. Y. Ye, 1999, Surface Treatment V, WIT press, pp. 161-169. R. E. Smallman, R. J. Bishop, 1999, Modern Physical Metallurgy and Materials Engineering, Butterworth Heinemann. Sonobe, M., Schiozawa, K., and Motobayashi, K., 1996, Improvement in Corrosion Resistance of CrN Coated Steel with Multi Stage Deposition Method and Its Corrosion Fatigue Strength, Proc. Of the 1996 4th International Conference on Comp. Aided Assesment and Control. Sujitno, T., Mujiman, 1996, Pengaruh Suhu dan Waktu Nitridasi Terhadap Kekerasan Permukaan Baja Karbon Rendah AISI 1010 Yang Dinitridasi dengan Teknik Lucutan Api, P3TM – Batan, Yogyakarta


M 149


Susita, L., Sudjatmoko, Tjipto S., Darsono, Sri Sulandari, Supardjono, 1996, Karakterisasi Struktur Mikro Stainless Steel Hasil Implantasi Ion Nitrogen, PPNY – Batan, Yogyakarta T. Yokobori, 1968, An Interdisciplinary Approach to Fracture and Strength of Solids Wolter Nordhoff Pub. The Netherlands, (English Traslated Edition by J. D. C. Crisp). Vashwort, G.W.A., Precter, R.P.M., 1982, Ion Implantation into Metals, Pergamen Press, England


M 150

PENGARUH IMPLANTASI ION TITANIUM NITRIDA DAN ION NITROGEN TERHADAP KEKERASAN DAN KETAHANAN AUS MATERIAL AXIAL BALL BEARING MRK 51104

Recommend Documents