2
Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk : 1. Mensintesis paduan CoCrMo dengan memvariasikan massa nitrogen. 2. Mengukur laju korosi paduan CoCrMo menggunakan potensiostat. 3. Mengukur kekerasaan paduan CoCrMo menggunakan Vickers hardness tester. 4. Melakukan karakterisasi struktur kristal Paduan CoCrMo menggunakan XRD (X-Ray Diffraction). 5. Mengamati struktur mikro permukaan paduan CoCrMo menggunakan mikroskop optik. Perumusan Masalah 1. Bagaimana proses pembuatan paduan CoCrMo? 2. Bagaimana pengaruh nitrogen terhadap struktur kristal, kekerasan, dan laju korosi paduan CoCrMo? Hipotesis 1. Penambahan unsur nitrogen dalam paduan CoCrMo dapat menstabilkan fasa gamma. 2. Kekerasan dan laju korosi meningkat seiring dengan penambahan unsur nitrogen.
TINJAUAN PUSTAKA Paduan CoCrMo Paduan CoCrMo merupakan bahan yang biokompatibel dan secara luas digunakan sebagai bahan implan ortopedi seperti sendi pinggul dan penggantian lutut. Paduan ini bersifat unggul karena memiliki tingkat biokompatibilitas, sifat mekanik, ketahanan aus, dan korosi yang baik.6 Biokompatibilitas paduan CoCrMo terkait erat dengan ketahanan korosi yang sangat baik karena kehadiran dari film oksida tipis yang secara spontan terbentuk pada permukaan paduan. Film oksida tipis berfungsi sebagai penghalang untuk proses korosi dalam sistem paduan yang akan mengalami tingkat korosi.6 Film oksida pasif ini
secara spontan terbentuk pada permukaan paduan berupa Cr2O3 dengan beberapa kontribusi kecil dari Co dan Mo oksida.7 Tiga elemen dasar paduan kobalt menggunakan unsur kobalt, chromium dan molibdenum. Material kobalt merupakan material utama pada komposisi CoCrMo. Material ini berwarna perak keabu – abuan, tahan korosi serta tahan aus.7 Chromium ditambahkan untuk meningkatkan kekerasan dan ketahanan korosi, khususnya ketahanan terhadap korosi lokal. Chromium membentuk lapisan oksida yang kuat, berfungsi sebagai lapisan pasif untuk membentengi material utama di bawahnya dari lingkungan sekitar.6 Molibdenum sangat berperan aktif dalam ketahanan korosif terutama korosi sumuran (pitting) dan korosi celah (crevice). Molibdenum merupakan penstabil lapisan pasif yang telah terbentuk oleh Cr sehingga lapisan pasif akan lebih tahan terhadap serangan dari senyawaan yang menyerang lapisan pasif.8 Material kobalt bersifat alotropik yang mempunyai berbagai fasa dengan variasi temperatur seperti terlihat pada Lampiran 3 (halaman 22). Secara termodinamika fase Co berstruktur kristal lebih stabil pada temperatur kamar sehingga umumnya paduan kobalt menahan struktur fcc hingga temperatur sekitar 1000 oC. Berdasarkan diagram biner Co-Cr, kandungan Cr sekitar 30% didalam Co-Cr, fasa dengan kisi heksagonal bertransformasi menjadi fasa γ dengan kisi kristal kubik pada suhu diatas 950o C. Adanya transformasi fasa ke kristal kubik ini memberi peluang keberlangsungan proses difusi sehingga pada kondisi ini dimana suhu diatas 950oC memungkinkan untuk dilakukan pengerjaan tempa. Namun demikian pembentukan fasa σ sangat mungkin terjadi karena fasa σ dengan kisi kristal tetragonal masih tetap terbentuk pada suhu tinggi hingga 1283oC.9 Munculnya fasa σ dengan kisi kristal tetragonal ini dapat mengakibatkan keretakan pada
3
pengerjaan tempa sehingga sangat penting untuk menghindari pembentukan fasa σ (rapuh) dan menjaga matriks dalam struktur kristal fcc.10 Peningkatan struktur kristal fcc dapat dilakukan dengan perlakuan panas dan tempa serta meningkatkan komposisi krom (Cr) dan nitrogen. Teknik pembuatan yang dapat digunakan dalam pembuatan paduan CoCrMo adalah teknik peleburan dan forging.9 Komposisi paduan CoCrMo komersial merujuk pada klasifikasi ASTM F75 (American Society for Testing and Materials F75) berikut ini11: Tabel 1. Komposisi CoCrMo (ASTM F75)11 Unsur Chromium, Cr Molybdenum, Mo Nickel, Ni Iron, Fe Carbon, C Silicone, Si Manganase, Mn Nitrogen, N Cobalt, Co
Wt % 27 – 30 5 -7 < 2,5 < 0,75 < 0,35 <1 <1 < 0,25 63 - 65
Paduan Kobalt untuk Aplikasi Medis Syarat dasar dari sebuah material implan tulang adalah material tersebut tidak menimbulkan efek membahayakan bagi jaringan tubuh. Biokompatibilitas, merupakan syarat penting untuk sebuah biomaterial atau material implan tulang, termasuk kemampuannya untuk menunjukkan respon yang tepat terhadap host secara efektif. Pada beberapa aplikasi medis biometrial digunakan untuk penggantian sendi pinggul, katup jantung prostetik, dan implan gigi.12 Perangkat implan ortopedi umumnya dipasang pada sistem kerangka tubuh manusia untuk membantu penyembuhan, memperbaiki cacat dan mengembalikan fungsi yang hilang dari bagian tubuh asli. Implan ortopedi telah meningkatkan kualitas hidup bagi jutaan orang seperempat abad terakhir. Tujuan klinisnya adalah untuk
menghilangkan rasa sakit dan meningkatkan kemudahan gerakan sendi. Dengan demikian, bahan yang cocok untuk implantasi adalah material yang dapat ditoleransi oleh tubuh dan dapat menahan beban siklik di lingkungan tubuh yang agresif. Bahan yang digunakan dalam ortopedi salah satunya adalah paduan kobalt yang merujuk pada ASTMF75.12 Paduan kobalt untuk aplikasi biomedis dibagi menjadi dua kategori, yaitu paduan hasil forging (tempa) dan casting. Forging dapat menghasilkan struktur yang lebih baik, bebas dari porositas dibandingkan paduan hasil casting karena paduan logam Co-Cr tempaan dibuat melalui proses pemanasan serta deformasi suhu tinggi sehingga struktur mikronya (ukuran butir) lebih kecil dan seragam.2 Regangan yang timbul selama proses forging akan mendorong rekristalisasi, sehingga diperlukan pemanasan berulang kali untuk forging berikutnya. Proses perlakuan paduan kobalt setelah ditempa adalah cold working dan annealing. Kuat fatigue dan tarik yang lebih baik pada paduan hasil tempa membuatnya cocok untuk keperluan penahanan pembebanan besar yang dibutuhkan sepanjang usia pemakainya.13 Sifat mekanik bahan ini lebih baik seperti tensile strength dan elongation kecuali sifat ketahanan aus.2 Komposisi dan kuat mekanik CoCrMo ditunjukkan pada Lampiran 4 (halaman 22).6 Korosi Paduan Kobalt Korosi merupakan salah satu penyebab utama yang dapat menimbukan masalah ketika paduan logam digunakan sebagai implan dalam tubuh. Korosi material implan dalam cairan tubuh terjadi melalui reaksi elektrokimia.13 Ketahanan korosi dari logam implan tergantung dari formasi lapisan oksida pasif yang terbentuk.12 Lapisan pasif mayoritas yang terbentuk pada permukaan paduan cobaltchromium-molybdenum adalah oksida chromium (Cr2O3), sedangkan minoritas
4
tersusun atas oksida kobalt (CoO) dan molybdenum (MoO2). Reaksi 13 elektrokimia yang terbentuk : 2Cr + 3H2O ↔ Cr2O3 + 6H+ + 6e-…..... (1) Co + H2O ↔ CoO + 2H+ + 2e-…......... (2) Mo + 2H2O ↔ MoO2 + 4H+ + 2e- ....... (3)
Lapisan pasif yang terbentuk pada permukaan material menunjukkan perilaku pasifasi yang sangat baik dalam larutan Simulated Body Fluid (SBF). Larutan SBF memiliki konsentrasi ion menyerupai konsentrasi ion dalam plasma darah manusia seperti diperlihatkan pada Lampiran 5 dengan kompisisi seperti pada Lampiran 6 (halaman 22).6,12,14 Salah satu jenis korosi yang sering terjadi pada material implan diantaranya adalah korosi lokal. Korosi jenis ini dapat terjadi karena adanya beban mekanik (friksi) dan penurunan pH. Penurunan pH disebabkan adanya peradangan lokal karena jaringan yang rusak, atau naiknya konsentrasi fosfat dan sulfat. Tingkat keasaman (pH) darah normal terdapat pada rentang 7,357,45.13 Standar Eropa yang digunakan sebagai acuan nilai ketahanan korosi logam biomaterial untuk aplikasi perbedahan gigi yaitu kurang dari 0,457 mpy.12 Potensiostat Potensiostat merupakan alat elektronik yang mengatur perbedaan potensial antara elektroda kerja dan elektroda pembanding. Kedua elektroda terdapat dalam sel elektrokimia. Alat potensiostat ini diatur dengan memasukkan arus ke dalam sel melalui elektroda pembantu. Hampir dalam semua penerapannya, potensiostat mengukur aliran arus antara elektroda kerja dan elektroda pembantu. Variabel yang diatur dalam potensiostat adalah potensial sel dan variabel yang diukur adalah arus sel. Potensiostat hanya dapat bekerja untuk sel elektrokimia yang terdiri dari tiga elektroda yaitu:15 1. Elektroda kerja Dalam pengujian elektroda kerja adalah sampel dari logam yang
terkorosi. Elektroda kerja dapat berupa logam yang terbuka atau dilapis. 2. Elektroda Pembanding Elektroda Pembanding digunakan dalam mengukur potensial elektroda kerja. Elektroda pembanding seharusnya memiliki potensial elektrokimia yang konstan selama tidak ada aliran arus yang melewatinya. Elektroda pembanding laboratorium yang paling biasa digunakan adalah elektroda kalomel jenuh (SCE) dan elektroda perak/perak klorida (Ag/AgCl). Salah satu elektrode standar yang biasa digunakan sebagai elektroda pembanding adalah elektrode kalomel.15 Pipa kapiler luggin memungkinkan untuk mendeteksi potensial larutan yang dekat dengan elektroda kerja tanpa mempengaruhi kejadian yang berlangsung ketika elektroda pembanding yang besar ditempatkan dekat dengan elektroda kerja.
Elektroda kerja
Kapiler luggin
Gambar 2. Posisi elektroda pembanding dan elektroda kerja pada kapiler luggin sel ektrokimia.15
Potensiostat
Sel elektrokimia
Printer
Gambar
Catatan :1 mpy (mils per year) = 0,0254 milimeter per year.12
3.
Rangkaian potensiostat 273.13
peralatan model
5
3. Elektroda pembantu. Elektroda pembantu merupakan konduktor yang melengkapi rangkaian sel. Elektroda pembantu dalam sel laboratorium secara umum adalah konduktor inert seperti platina atau grafit. Arus yang mengalir di dalam larutan melalui elektroda kerja meninggalkan larutan melalui elektroda pembantu.15 Difraksi sinar-X Sinar-X dihasilkan dalam tabung sinar katoda dengan memanaskan filamen untuk menghasilkan elektron. Elektron menuju bahan dipercepat dengan menerapkan tegangan. Ketika elektron memiliki energi yang cukup untuk mengeluarkan elektron pada kulit target akan menghasilkan karakteristik spektrum sinar-X. Spektrum ini terdiri dari beberapa komponen, yang paling umum K, Kα, dan Kβ. Sampel dan detektor diputar sehingga intensitas sinar-X terdeteksi. Sampel berputar di jalur sinar X-ray collimated pada sudut θ sedangkan detektor sinar-X terpasang pada lengan untuk mengumpulkan difraksi X-ray dan berputar pada sudut 2θ. Instrumen yang digunakan untuk mempertahankan sudut dan memutar sampel disebut goniometer. Data dikumpulkan pada 2θ yaitu 10° sampai 80°, (sudut yang telah ditetapkan di Xray scan).16 Pada tahun 1912 fisikawan Max Von Laue menyatakan bahwa sebuah benda padat yang mengkristal, terdiri dari susunan teratur dari atom-atom, yang dapat membentuk sebuah ”kisi difraksi”. Metode difraksi sinar-X yaitu seberkas sinar X yang terkolimasi, sehingga panjang gelombangnya terdistribusi secara kontinu jatuh pada kristal dengan sudut tertentu. Berkasberkas itu akan berinterferensi konstruktif jika jarak yang ditempuh berkas 1 berbeda dari berkas 2 sebesar kelipatan bilangan bulat λ.17 Dengan demikian interferensi konstruktif akan terjadi, mengikuti persamaan Bragg yaitu :
2d sin θ = nλ…............(4) Sinar-X dapat didifraksikan dari bidang-bidang yang berbeda dengan sudut berbeda di dalam kristal. Berdasarkan teori difraksi, sudut difraksi bergantung kepada lebar celah kisi, sehingga mempengaruhi pola difraksi, sedangkan intensitas cahaya bergantung dari banyaknya kisi kristal yang memiliki orientasi yang sama. Skema terjadinya difraksi dapat dilihat pada Gambar 4.
Gambar 4. Skema terjadinya difraksi oleh kisi kristal.16 Pada alat X-Ray Difraktometer, sampel ditempatkan pada rotating table. Sinar-X ditembakkan dari source menuju sampel dengan sudut awal 0o. Kemudian sinar-X yang dipantulkan sampel akan diterima di detektor. Meja akan dirotasi untuk mendapatkan nilai intensitas pantulan pada tiap sudut putaran. Untuk itu, detektor akan menyesuaikan posisi sebesar dua kali lipat sudut rotating table (Gambar 5).18
Gambar 5. Diagram rotating table, sumber sinar-X, dan detector pada XRD 18 Informasi hasil pola difraksi sinarX Informasi hasil pola difraksi meliputi posisi puncak dan intensitas. Posisi
6
puncak mengindikasikan struktur kristal dan identifikasi fase yang ada di bahan tersebut, sedangkan intensitas menunjukkan total hamburan balik dari masing-masing bidang dalam struktur kristal.16 Vickers Hardness Uji keras vickers merupakan salah satu metode untuk mengukur tingkat kekerasan suatu material logam, khususnya yang memiliki permukaan yang sangat keras. Kekerasannya dihitung dari ukuran jejak indentasi yang diproduksi di bawah beban oleh indentor intan berbentuk piramida. Diagonal dari indentasi yang dihasilkan diukur di bawah mikroskop dan nilai vickers hardness dibaca dari tabel konversi. Indentor yang digunakan dalam tes vickers adalah piramida persegi yang sisi-sisinya bertemu di apeks sudut 136º. Indentor intan ditekan ke permukaan material pada beban mencapai kisaran 120 kilogram-gaya. Nilai kekerasan vickers (HV) dihitung menggunakan rumus berikut ……………..(7) d2 Dimana F merupakan beban yang diterapkan (diukur dalam kilogram force) dan d2 merupakan diagonal ratarata (diukur dalam millimeter persegi). Untuk melakukan tes vickers, spesimen ditempatkan pada landasan yang memiliki basis ulir sekrup untuk dinaikan mendekati titik indentor, beban perlahan-lahan diterapkan pada indentor tersebut kemudian ditahan ±10 detik untuk selanjutnya beban dilepaskan. Jejak diagonal indentor diukur menggunakan mikroskop. Pengukuran diambil diseluruh diagonal untuk menentukan kekerasan material tersebut yang kemudian dirata-ratakan. Keuntungan dari uji kekerasan vickers adalah pembacaan hasil sangat akurat, dan hanya satu jenis indentor yang digunakan untuk semua jenis logam dan perawatan permukaan yang relatif mudah.19
Catatan : 1 KgF (kilogram gaya) = 9.80665 newton.19
Gambar 6. Indentor intan pada vickers hardness test19 Mikroskop Optik Pada mikroskop optik perbesaran untuk lensa objektif mulai dari 4x, 10x, 20x, 40x, sampai 100x. Sedangkan perbesaran untuk lensa okuler adalah 10x. Ketika cahaya dari lampu mikroskop melewati kondensor dan kemudian melalui spesimen, cahaya tersebut akan mengalami difraksi cahaya sehingga menyebar keseluruh permukaan benda uji. Cahaya difraksi menyebabkan interferensi sehingga terbentuk citra pola gelap terang yang menunjukkan gambar dari spesimen. Mikroskop terdiri atas dua buah lensa cembung (lensa positif), yaitu lensa yang dekat dengan objek (benda) dinamakan lensa objektif, sedangkan lensa yang dekat mata dinamakan lensa okuler. Jarak fokus lensa okuler lebih besar daripada jarak fokus lensa objektif.20 Salah satu model mikroskop optik dan skema proses pembentukan bayangan pada mikroskop ditunjukkan pada Gambar 7 dan 8 berikut ini: Image seen by viewer eyepiece Ocular lens Objective lens Specimen Condensor lens Light source
Gambar 7. Mikroskop dan bagianbagiannya.20
