PENGARUH PROSES NITRIDASI ION PADA BIOMATERIAL TERHADAP KEKERASAN DAN KETAHANAN KOROSI
Wirjoadi, Lely Susita, Bambang Siswanto, Sudjatmoko
BADAN TENAGA NUKLIR NASIONAL Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Jl. Babarsari Kotak Pos 6101 Ykbb, Yogyakarta 55281 Telp. 0274-488435, Fax. 0274-487824, E-mail:
[email protected] 2011
PENDAHULUAN • Dalam bidang kedokteran, biomaterial adalah material sintetis untuk tulang buatan atau piranti cangkok ortopedik (orthopedic implant devices). • Biomaterial, banyak digunakan untuk memperbaiki atau menggantikan fungsi suatu sistem otot-kerangka tubuh manusia yang sakit atau rusak, misalnya seperti tulang, tulang sendi dan gigi. • Oleh karena itu, saat ini biomaterial utk piranti cangkok ortopedik akan memainkan peranan penting dan berkembang sangat pesat dalam meningkatkan pelayanan kesehatan masyarakat. • Biomaterial metalik (sebagai piranti cangkok ortopedik) biasanya dibuat dari tiga jenis material : austenitik SS-316L, paduan kobalt-krom, titanium murni komersial dan paduan Ti-6Al-4V. • Berdasarkan kajian, hampir sekitar 90 %, kegagalan pencangkokan piranti cangkok ortopedi (prostetik berbasis metal), khususnya jenis austenitic SS - 316L, disebabkan oleh serangan korosi akibat interaksi dengan cairan tubuh manusia dan terjadi keausan karena menahan beban gesekan dalam tulang sendi. • Dari kegagalan tsb, maka diperlukan cara atau metode untuk memperbaiki sifat-sifat mekanik material, khususnya untuk meningkatkan kekerasan dan ketahanan korosinya yaitu dengan melakukan modifikasi permukaan biomaterial untuk prostetik atau tulang buatan. • Modifikasi permukaan SS - 316 L dan paduan Ti-6Al-4V adalah salah satu alternatif yg sudah siap dalam praktek. • Tujuan penelitian adalah pengembangan serta pemanfaatan metode nitridasi ion utk mendapatkan bahan lapisan tipis nitrida besi FeN dan nitrida titanium TiN pd permukaan biomaterial metalik utk tulang buatan yg mempunyai kekerasan sangat tinggi, shg mempunyai ketahanan aus yg sangat baik dan tahan korosi. • Teknik modifikasi permukaan yg digunakan dlm penelitian yaitu metode nitridasi ion yg dpt dimanfaatkan utk memperbaiki unjuk kerja piranti cangkok ortopedik dan memperbaiki kualitas hidup penerima cangkok ortopedik.
TATA KERJA 1. Persiapan bahan dan alat Bahan : biomaterial berbasis besi austenitik jenis SS-316L dan paduan Ti-6Al-4V. SS-316L : Fe-69 %, Cr-18 %, Ni-10 %, Mo-3 %. Ti-6Al-4V : Ti-90%, Al-6 %, V-4 %. Bahan larutan Hanks : NaCl, CaCl2, KCl, NaHCO3, glukosa, NaH2PO4, MgCl2.6H2O, Na2HPO4.2H2O, dan MgSO4.7H2O, kemurnian 99,5%. Peralatan : sistem peralatan nitridasi ion, alat uji keras microhardness-tester MATSUZAWA MMT-X7,alat uji korosi potensiostat PGS-201T 2. Preparasi cuplikan Ukuran cuplikan : panjang 1,0 cm, lebar 1,0 cm dan tebal 2,0 mm. Permukaan cuplikan dihaluskan dgn kertas ampelas, dipoles dgn pasta intan dan digosok dgn kain beludru sampai halus permukaannya dan mengkilap. Untuk menghilangkan kotoran pd permukaan cuplikan dilakukan pencucian dgn alkohol/aceton kemudian dimasukkan ke dlm pembersih ultrasonik. 3. Proses nitridasi ion Variasi suhu : 350, 400, 450, 500 dan 550 oC Variasi tekanan gas nitrogen : 1,2; 1,4; 1,6; 1,8 dan 2,0 mbar Variasi waktu nitridasi ion : 1, 2, 3, 4 dan 5 jam. Tegangan : 600 - 800 V dan Arus : 300 - 400 mA.
HASIL EKSPERIMEN
Kekerasan optimum SS 316 L : T= 500 oC; P =1,8 mbar; t =3 jam Kekerasan (500 oC) = 582 VHN Kekerasan standar = 406 VHN Peningkatan kekerasan =143 %
Gambar 2. Kekerasan vs suhu nitridasi, (SS 316L) hasil nitridasi ion pd tekanan gas nitrogen 1,8 mbar dan waktu nitridasi 3 jam.
Kekerasan optimum (Ti-6Al-4V) : T = 500 oC; P = 1,6 mbar; t = 4 jam Kekerasan (500 oC) = 764 VHN Kekerasan standar = 499 VHN Peningkatan kekerasan =153 %
Gambar 3. Kekerasan vs suhu nitridasi, paduan (Ti-6Al-4V) hasil nitridasi ion pd tekanan gas nitrogen 1,6 mbar dan waktu nitridasi 4 jam.
(a).
(b)..
Rapat arus korosi SS-316 L. a). Ikor = 260,12 µA/cm2. b). Ikor = 299,73 µA/cm2. c). Ikor = 310,76 µA/cm2. d). Ikor = 334,24 µA/cm2.
(c)..
(d)..
e). Ikor = 356,31 µA/cm2. f). Ikor = 410,38 µA/cm2. Ketahanan korosi optimum Ikor = 260,12 µA/cm2.
(e).
(f)..
Gambar 4. Kurva potensial vs log intensitas arus korosi (SS 316L) hasil nitridasi ion: (a). 350 oC; (b). 400 oC; (c). 450 oC; (d). 500 oC; (e). 550 oC; (f). SS-316L standar, tekanan gas nitrogen 1,8 mbar dan waktu nitridasi 3 jam.
a)
b)
Rapat arus korosi Ti6Al4V. a). Ikor = 110,49 µA/cm2. b). Ikor = 176,01 µA/cm2. c). Ikor = 227,19 µA/cm2. d). Ikor = 219,17 µA/cm2.
c)
d)
e). Ikor = 223,76 µA/cm2. f). Ikor = 242,49 µA/cm2. Ketahanan korosi optimum Ikor = 110,49 µA/cm2.
e)
f)
Gambar 5. Kurva potensial vs log intensitas arus korosi (Ti-6Al-4V) hasil nitridasi ion : (a). 350 oC; (b). 400 oC; (c). 450 oC; (d). 500 oC; (e). 550 oC; (f). Ti-6Al-4V standar, pada tekanan gas nitrogen 1,6 mbar dan waktu nitridasi 4 jam.
.
Gambar 6. Kurva rapat korosi dan laju korosi vs suhu nitridasi untuk SS-316L, pd tekanan gas nitrogen 1,8 mbar dan waktu nitridasi 3 jam.
Ketahanan korosi optimum SS-316 L : Suhu nitridasi 350 oC; Ikor = 260,12 µA/cm2. Laju korosi = 29,87 mpy; Laju korosi awal = 41,13 mpy Peningkatan ketahanan korosi = 137 %.
Gambar 7. Kurva rapat arus korosi dan laju korosi vs suhu nitridasi untuk Ti-6Al-4V, pd tekanan gas nitrogen 1,6 mbar dan waktu nitridasi 4 jam. Ketahanan korosi optimum Ti-6Al-4V : Suhu nitridasi 350 oC; Ikor = 110,49 µA/cm2. Laju korosi = 15,19 mpy; Laju korosi awal = 32,78 mpy Peningkatan ketahanan korosi = 216 %.
KESIMPULAN Berdasarkan hasil dan pembahasan yang diuraikan tersebut di atas dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : 1. Karakterisasi nilai kekerasan cuplikan SS-316L hasil nitridasi ion diperoleh bahwa nilai kekerasan mencapai optimum sekitar 582 VHN, dicapai pada kondisi T = 500 oC, t = 3 jam, P = 1,8 mbar dan kekerasan meningkat menjadi 143 % apabila dibandingkan dgn nilai kekerasan cuplikan SS- 316L standar 406 VHN. 2. Utk cuplikan paduan Ti6Al4V hasil nitridasi ion diperoleh nilai kekerasan optimum sekitar 764 VHN pada T = 500 oC, t = 4 jam, P =1,6 mbar dan nilai kekerasan cuplikan meningkat menjadi 153 % apabila dibandingkan dengan nilai kekerasan cuplikan paduan Ti-6Al-4V standar 499 VHN. 3. Karakterisasi kurva potensial vs log intensitas arus korosi untuk cuplikan SS-316L hasil proses nitridasi ion diperoleh ketahanan korosi optimum pada suhu 350 oC dengan rapat arus korosi 260,12 mA/cm2 atau laju korosi 29,866 mpy terjadi peningkatan sekitar 137 % dari laju korosi SS316L standar 41,13 mpy. 4. Untuk paduan Ti-6Al-4V hasil nitridasi ion diperoleh ketahanan korosi optimum pada suhu 350 oC dengan rapat arus korosi 110,49 mA/cm2 atau laju korosi 15,189 mpy terjadi peningkatan sekitar 216 % dari laju korosi Ti-6Al-4V standar 32,78 mpy.
Diagram fasa Fe-N.
Diagram fasa Ti-N
Gambar A. Struktur mikro cuplikan SS 316L setelah proses nitridasi ion pada suhu nitridasi 500 oC.
Gambar B. Struktur mikro cuplikan Ti-6Al-4V setelah proses nitridasi ion pada suhu nitridasi 500 oC
Bone plate
Universal instrumentation for spinal surgery
Artificial hip joint
Orthopedic Implants
Bone plate and screws
