PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator don Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

PENGUJIAN ALAT PLASMA NITRIDING UNTUK NITRIDASIBAJA ST-37

Slamet Riyadi, Sukidi dan Dwi MulyantoPTAPB-BATAN Jogjakarta

ABSTRAK

PENGUJIAN ALA T PLASMA NITRIDING UNTUK NITRIDASI BAJA ST-37. Telah

dilakukan pengujian alat plasma nitriding untuk nitridasi baja ST-37. Untuk prosesnitridasi digunakan sampel berdiameter W' dan tebal 10 mm berjumlah 13 buahditempatkan dalam reaktor plasma secara satu per satu dengan variasi tekanan danwaktu mulai 1,2 mbar- 1,8 mbar dan dari 2 - 4 jam serta suhu operasi tetap 500°C.Selanjutnya dialiri campuran gas nitrogen dan hidrogen dengan perbandingan 50% :50% dan diionisasikan dengan tegangan DC. Tujuan proses ini untuk mencari korelasiantara tegangan elektroda dan arus plasma yang dihasilkan. Dari hasil percobaanproses variasi kedua parameter selama 2 jam diperoleh tegangan antara 544 V - 700V dan arus 531 mA - 678 mA, proses selama 3 jam diperoleh tegangan 532 V - 674V dan arus 450 mA - 544 mA dan proses selama 4 jam diperoleh tegangan 533 V­737 V dan arus 406 mA - 530 mA. Hasil paling stabil (optimum) yaitu pada tekanan1,8 mbar selama 2 jam, 3 jam dan 4 jam serta diperoleh tegangan dan arus yangmasing-masing 546 Volt, 532 Volt, 533 Volt dan 578 mA, 544 mA, 524 mA.

ABSTRAC

TESTING OF HOME MADE NITRIDING PLASMA FOR NITRIDATION OF ST-37

STEEL. Testing of home made nitriding plasma for nitridation of ST-37 steel has beencarried out. For the purpose 13 samples with diameter % " and 10 mm thickness wereprepared. Hardening process was carried out for the following parameters, 1,2 mbar ­1,8 mbar of pressure, 2 - 4 hours of time and the temperature was kept constants at500°C. In the implamantation of the process, the mixed gas nitrogen and hydrogenwith ratio 50% : 50% was introduced in to reactor. Plasma tube where the sampleswas put the mixed gas was ionized using DC voltage. The aim of this process is to fineout the correlation between electrode voltage and the plasma current produced duringthe process. It's found that for 2 hours of operation time, the electrode voltagebetween 544 Volt - 700 Volt, the plasma current is 531 mA - 678 mA, and for 3 hoursof operation time, electrode voltage between 532 Volt - 674 Volt, the plasma current is450 mA - 544 mA, while for 4 hours of operation time, electrode voltage between 533Volt - 737 Volt, the current is 406 mA - 530 mA. The most stable result is at 1.8 mbarof pressure during 2 hours, 3 hours and 4 hours. In these condition parameters, it isfound that the electrode voltage and current are 546 Volt, 532 Volt, 533 Volt and 578mA, 544 mA, 524 mA respectively.

PENDAHULUAN

Proses pengerasan permukaan suatubahan/material adalah suatu usaha agarbahan yang diproses dapat menghasilkan produklebih baik. Demikian juga mesin nitridasi ion yangdirancang untuk rekayasa peningkatan mutupermukaan dari suatu bahan. Karena kerusakansuatu bahan diawali dari permukaan, hal ini terjadi

karena lingkungan (korosi atau oksidasi) atau ausakibat berinteraksi dengan bend a lain yangbergesekan antara dua komponen atau lebih.Mengingat kebutuhan dari industri maju terhadapmaterial logam dengan kualitas yang baik yaitumempunyai sifat-si fat yang unggul dari logamdasamya[lJ. Maka dilakukan pengujian alat plasmanitriding untuk nitridasi bahan baja ST-37 sebagai

Siamet Riyadi, dkk. ISSN 1410 - 8178 411

PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

usaha dalam meningkatkan mutulkualitaspennukaan material! komponen sesuai dengan yangdiharapkan. Oalam surface treatment suatu bahanyang berubah sifat hanya pada pennukaannya saja,sedangkan bagian dalamnya tidak berubah. Metodasurface treatment sejak lama dilakukan adalah earanitridasi menggunakan gas nitrogen (N2). Prinsipkerja dari proses nitridasi adalah penambahannitrogen pada pennukaan bahan logam sehinggamenjadi keras, hal ini terjadi karena ion gasnitrogen berinteraksi dengan bahan logam yangmenyebabkan terjadinya larut padat interstisi danatau terbentuknya senyawa baru FeN [2].

Proses nitridasi ini eoeok digunakan untukmaterial baja paduan yang mengandung unsurpaduan seperti Aluminium, Chromium,Molybdenum, Tungsten dan Vanadium. Kandungankarbon untuk baja yang dinitridasi adalah 0,2 - 0,5%. Oalam prosesnya baja yang akan dikeraskandipanaskan pada tabung yang diberi nitrogen.Nitrogen dihasilkan dari proses penguraian gasamoniak (NH3) pada suhu 500°C - 600°C selamabeberapa jam (1 - 100 jam). Jumlah atom yangmasuk ke dalam pennukaan material tergantungdari suhu dan konsentrasi nitrogen (3].

Berdasarkan hal tersebut maka aplikasimesin nitridasi ion dimungkinkan untukdikembangkan dalam skala industri.

Oengan latar belakang tersebut makadilakukan proses nitridasi bahan baja ST-37 denganteknik nitridasi ion. Adapun tujuan proses nitridasibahan baja ST-37 ini untuk memperoleh parameteroperas I.

TAT A KERJA

Bahan dan Alat

a. Bahan: baja ST-37 diameter % " berjumlah 13buah, gas nitrogen, kertas amplas 800 mes~2000 mesh, kain beludru, pasta otosol, sabuneair, kertas tissue dan kantong plastik klip.

b. Alat : mesin bubut, hair dryer, ultrasioniccleaner dan satu unit mesin nitidasi ion.

Langkah kerja

a. Pembuatan sampelBahan baja 37 dibubut berdiameter %" dan

dihaluskan dengan kertas amplas 800 meshkemudian dipotong setebal 1 em (menjadi sampel).Kemudian dihaluskan dengan mesin polis yangdiberi kertas amplas ukuran 800 mesh hingga pad a2 pennukaan rata. Selanjutnya sam pel bagian atasdiperhalus dengan menggunakan kertas amplas1000-2000 mesh hingga mengkilap kemudiandiganti dengan kain beludru yang diberi otosol dandipoliskan pada sam pel hingga hasilnya mengkilapseperti eennin yang bertujuan agar dapat diketahui

jejak uji keras. Sampel baja ST-37 disajikan padaGambar I. Untuk diagram alur proses ditampilkanpada Gambar 2.

Gambar I. Sampel baja ST- 37

b. Persiapan operasi alatSebelum operasi mesin nitridasi dimulai

yang perlu diperiksa meliputi : Memeriksa semuatombollsaklar dalam posisi off/no I, bagian sistemhampa, apakah katup dalam posisi tertutup atauterbuka, sambungan sumber tegangan tinggi padakatoda, steker mesin nitridasi ion sudah disambungke line PLN atau bel urn, gas N2 masih isi atau sudahhabis dan letakkan sampel yang sudah dieuei kedalam tabung reaktor nitridasi ion, pasangkan tutuptabung nitridasi dan sambungkan sumber catu dayake elektrode bagian atas.

e. Proses pemvakuman mesin nitridasiPompa rotari dihidupkan dengan menekan

saklar utama, saklar instrumen, saklar vakum dankatup saluran vakum (katup utama) dibuka sertakatup pemboeor ditutup agar sistem dapatdivakumkan, kemudian dilakukan pemvakumanawal selama 10 menit hingga pirani meter meneapaitekanan 9,5xl0·2 mbar.

d. Proses riitridasi ion dengan eara sebagai berikut :Oengan membuka kran utama tabung gas

N2 dan mengatur tekanan gas N2 keluar 2,5 - 3 bar,kran gas yang masuk ke sistem tabung tertutup,kemudian menghidupkan saklar eatu daya danmemutar regulator tegangan sampai 450 Volt makaakan terbentuk plasma dalam tabung reaktor (dapatdilihat pad a gelas penduga), serta meter suhu danarus akan ditampilkan namun belum memenuhisyarat. Namun karena eampuran gas H2 : N2 = 50%: 50% maka untuk tekanan 1,2 mbar, gas N2dialirkan terlebih dahulu hingga tekanan meneapai6.10'1 mbar sampai stabil, kemudian gas H2dialirkan hingga tekanan meneapai 1,2 mbar.

Selanjutnya untuk variasi tekanan yang laindengan earn yang sarna sehingga pirani metermenunjuk kevakuman ~esuai yang dikendaki yaitu1,4 mbar, 1,6 mbar dan 1,8 mbar. Untuk variasiwaktu tinggal menunggu berapa jam sam pel akandinitridasi. Oalam hal ini yang dikerjakan adalahvariasi tekanan dan waktu nitridasi, sedangkan

412 ISSN 1410 - 8178 Siamet Riyadi, dkk

PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

untuk suhu tetap yaitu 500°C dan skema peralatandisajikan pada Gambar 3.

Pada proses operasi 2 jam, 3 jam dan 4 jamdengan tekanan 1,2 mbar, tegangan yangdibutuhkan 700 V, 674 Volt, 737 Volt dan

diperoleh arus 678 mA, 542 mA, 504 mA, padatekanan 1,4 mbar tegangan operasi dibutuhkan 557Volt, 604 Volt, 643 Volt dan diperoleh arus 537mA, 450 mA, 406 mA pada tekanan 1,6 mbartegangan operasi dibutuhkan 544 Volt, 552 Volt,598 Volt dan diperoleh arus 531 mA, 525 mA, 530mA dan pada tekanan 1,8 mbar tegangan operasidibutuhkan 546 Volt, 532 Volt, 533 Volt dandiperoleh arus 578 mA, 544 mA, 524 mA. Skemaperalatan proses pengerasan disajikan pada Gambar3.

( Mulai )tPersiapan bahan:

Pengegaan bahan sampelmenghaluskan permukaanpencucian dan pengeringan

Memasang saml>el pada tabung nitridasi

Proses pemvakuman mesin nitridasi

Menghidupkan sumber tegangan DC

Mengalirkan gas N~kemudian H~ke tabung

Mengatur parameter nitridasi:tekanan nitridasisuhu nitridasiwaktu nitridasi

+bUkData parameter operasi nitridasi :

T egangan operasiArus operasi

Gambar 2. Diagram alir proses nitridasi bahan bajaST- 37.

Reaktor PlasmaGas

N~rogen

Gambar 3. Skema peralatan sistem nitridasi ion

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil nitridasi baja ST-37 denganperbandingan campuran gas N2 dan H2 = 50% :50%. Dari beberapa sampel dan diambil reratamaka dihasilkan seperti disajikan pada Tabell.

Tabell. Hasil nitridasi baja ST-37 denganperbandingan campuran gas N2 dan H2 =50% : 50%. ion.

TeganganSuhuWaktu

TekananArusvakumNo ( Volt)(OC)(menit)(mbar)(mA)

I

7004261201,2678

2

5575001201,4537

3

5445001201,6531

4

5465001201,8578

5

6744281801,2542

6

6045001801,4450

7

5525001801,6525

8

5325001801,8544

9

7374272401,2504

10

6435002401,4406

II5985002401,6530

12

5335002401,8524

Nitridasi terjadi akibat terbentuknya plasmadalam tabung karena reaksi sehingga suhu menjadinaik, tekanan relatif konstan dan sistem kontrol alatukur berfungsi baik. Untuk percobaan pendahuluanpada tekanan operasi 1,2 mbar dengan waktu 2 jam,tegangan yang dibutuhkan 700 Volt dan diperoleharus sebesar 678 mA. Meskipun suhu operasi

Siamet Riyadi, dkk. ISSN 1410 - 8178 413

PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator don Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

menunjuk 500°C tetapi akan turun dengansendirinya hingga 426°C. Bila tegangan operasidinaikkan maka akan timbul percikan bunga apiyang tidak dikehendaki pada bagian katode. Prosesini tetap diulang hingga mencapai suhu 500°C,namun hasil tetap tidak stabil dan tidak mampu.Hasil proses tersebut terulang pada operasi 3 jamdan 4 jam pada tekanan yang sarna sehingga suhuyang dibutuhkan kurang dari 500°C. Ini terjadikarena konsentrasi gas N2 untuk proses belummencukupi, walaupun tegangan dinaikkan sampai737 Volt yang terjadi hanya percikan api padakatoda sehingga menghambat kenaikan suhu yangdibutuhkan yaitu 500°C.

Pada operasi tekanan 1,4 mbar denganwaktu 2 jam, 3 jam dan 4 jam tegangan dibutuhkan557 Volt, 604 Volt, 643 Volt dan diperoleh arus 537mA, 450 mA, 406 mA dan penunjukan parametercenderung stabil walaupun ada penurunan suhusedikit akan tetapi dapat diatasi denganmenstabilkan tekanan operasi.

Pada operasi tekanan 1,6 mbar denganwaktu 2 jam, 3 jam dan 4 jam tegangan dibutuhkan544 Volt, 552 Volt, 598 Volt, diperoleh arus 531mA, 525 mA, 530 mA dan proses ini menunjukanbahwa meter tegangan, arus dan suhu stabil, hal inidapat dilihat pad a meter suhu setelah menunjukkan500°C dan tidak akan turun.

Pada tekanan 1,8 mbar dengan waktuoperasi 2 jam, 3 jam dan 4 jam tegangan dibutuhkan546 Volt, 532 Volt, 533 Volt dan diperoleh arus 578mA, 544 mA, 524 mA. Hasil operasi ini sangatstabil (paling optimum) sehingga penunjukanparameter tidak berubah danpada meter suhupunmenunjuk 500°C.

Dari proses nitridasi dengan variasi tekanan1,2 mbar, 1,4 mbar, 1,6 mbar, 1,8 mbar dan waktu 2

jam, 3 jam, 4 jam, hasil yang diperoleh sangat stabiladalah operasi pada tekanan 1,8 mbar dengan waktu2 jam, 3 jam, 4 jam karena proses tersebutmenunjukkan bahwa an tara tekanan tabung, alirangas maupun suhu yang dikehendaki salingmenunjang sehingga dalam operasi semuaparameter dalam kondisi stabil hingga operasiberakhir selama 4 jam dengan suhu 500°C. Namundalam pengujian kekerasan selanjutnya akandilakukan oleh para peneliti.

KESIMPULAN

Dari hasil nitridasi baja ST-37 pad a suhu500°C dapat disimpulkan sebagai berikut : prosesnitridasi sangat stabil (paling optimum) pada

tekanan 1,8 mbar selama 2 jam, 3 jam dan 4 jamdengan tegangan operasi 546 Volt, 532 Volt, 533Volt dan diperoleh arus 578 mA, 544 mA, 524 mA.

UCAPAN TERIMA KASIH

Dengan telah selesainya pengujian alatplasma nitriding untuk proses nitridasi sampel bajaST-37 pada suhu 500°C, Kami mengucapkanbanyak terima kasih kepada Bapak Drs. TjiptoSuyitno, M.T.,APU; Sayono, ST; Djasiman, ST; Ir.Suprapto dan seluruh staf kelompok AplikasiAkselerator atas segala bantuan yang telahdiberikan.

DAFT AR PUSTAKA

I. S URDI A, T., 1992, Pengetahuan BahanTeknik, PT Pradnya Paramita, Jakarta.

2. BA. Tjipto Sujitno, 2003, Ap/ikasi Plasma danTeknologi Sputtering untuk Surface Treatmentpada Workshop Sputtering untuk RekayasaBahan, P3TM - BA TAN YogyakaJ1a.

3. SMITH WF, 1993, Structure and Properties ofEngineering Alloy, second edition, Me. GrawHill Inc.

TANYA JAWAB

Jumari~ Berapakah derajat kemampuan alat nitridasi

beroperasi dan berapa kemampuan teganganyang maksimum?

~ Apa yang harus dilakukan apabila dalam operasi,listrik PLN mati (padahal operasi harusnya 5 jamakan tetapi pada operasi 3 jam listrik mati)?

S/amet Riyadi~ Kemampuan mesin nitridasi beroperasi

sampai 800 °C dan kemampuan teganganoperasi maksimum adalah 800 Volt.

~ Yang harus di/akukan adalah :• Kran sistem vakum pada tabung reaksi

ditutup.• Semua tombol saklar dimatikan.

• Bi/a mati /istrik hanya transien, operasidapat di/anjutkan.

• Bi/a /istrik mati /ebih dari /5 menit, berartiproses nitridasi hanya berhenti sampai 3jam.

414 ISSN 1410 - 8178 Siamet Riyadi, dkk