pengujian kekerasan baja karbon rendah st 36 hasil nitridasi menggunakan teknik plasma lucutan

PROSIDING SEMINAR NASIONAL PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Yogyakarta, 19 September 2006

ISSN 1410 - 8178 Sumarmo, dkk 74

PENGUJIAN KEKERASAN BAJA KARBON RENDAH ST 36 HASIL NITRIDASI MENGGUNAKAN TEKNIK PLASMA LUCUTAN

PIJAR

Sumarmo, Irianto, J. Karmadi PTAPB-BATAN Yogyakarta

ABSTRAK

PENGUJIAN KEKERASAN BAJA KARBON RENDAH ST 36 HASIL NITRIDASI MENGGUNAKAN TEKNIK PLASMA LUCUTAN PIJAR. Telah dilakukan pengujian kekerasan permukaan baja karbon rendah tipe ST 36 hasil nitridasi menggunakan teknik plasma lucutan pijar. Untuk maksud tersebut spesimen uji ukuran diameter 20 mm dan tebal 10 mm dinitridasi pada kondisi jarak antar elektrode 4 cm, tekanan vakum 2 × 10-1 Torr, sedang temperatur dan lamanya proses divariasi yaitu masing-masing 200, 250, 300, 3500C dan 30, 60, 90, 120, 150 menit. Hasil nitridasi diuji kekerasannya menggunakan alat uji keras Micro Hardness Tester MXT 70. Dari hasil uji yang telah dilakukan menunjukkan bahwa kekerasan rata-rata awal baja ST 36 adalah sebesar 14,68 ± 0,03 KHN, setelah dinitridasi untuk berbagai variasi temperatur dan lamanya proses diperoleh kekerasan optimum sebesar 386,74 ± 3,3 KHN. Hasil tersebut dicapai pada kondisi temperatur 3000C dan lamanya proses 150 menit. Dari data tersebut dapat disimpulkan bahwa proses nitridasi dapat meningkatkan kekerasan permukaan sebesar 169,16%.

ABSTRACT

HARDNESS TETING OF NITRIDED ST 36 LOW CARBON STEEL USING GLOW DISCHARGE PLASMA. Hardness testing of nitrided st 36 low carbon steel using glow discharge plasma has been carried out. For the purpose, samples with dimension diameter 20mm and thickness 10mm were nitrided at the following conditions, electrodes distance 4cm, while temperature and the time were varied respectively were 200, 250, 300, 3500C and 30, 60, 90, 120, 150 minutes. Nitrided sample were tested their hardness using Micro Hardness Tester MXT 70. It has been found that the surface hardness of row material is 143,68 ± 0,03 KHN. After nitriding process for various temperature and time, the optimum hardness in orde of 386,74 ± 3,3 KHN. This optimum hardness was achived at the following conditions temperature 3000C and time 150 minutes. From this data, it can be concluded that there is an increasing hardness in orde of 169,16%.

PENDAHULUAN

alam usaha memperbaiki sifat-sifat mekanik permukaan suatu logam (baja) biasa dilakukan

dengan proses pengerasan permukaan. Proses pengerasan permukaan (Surface Hardening), adalah suatu pengerasan material pada bagian permukaan, sehingga bagian dalam-nya tetap bersifat ulet. Bila material ini dibuat semua bagian keras, selain biaya pembuatan lebih mahal, sifatnya adalah fragile (getas/mudah patah)[1]. Satu diantara metode pengerasan per-mukaan suatu material adalah

dengan menggu-nakan teknik nitridasi dengan plasma lucutan pijar. Dengan proses nitridasi ini dapat meningkatkan kekerasan permukaan suatu meterial sehingga mampu mengurangi laju keausan akibat gesekan dan mampu menahan gaya-gaya dinamis [2].

Tujuan penelitian ini adalah untuk mengeraskan permukaan komponen-konponen mesin yang selalu bergesekan dengan komponen lainnya misalnya seperti ring seker, poros engkol, roda gigi dan lain sebagainya, sehingga umur pemakaian komponen tersebut lebih lama[3]. Dalam

D



Sumarmo, dkk ISSN 1410 – 8178 75

penelitian ini disajikan hasil uji kekerasan permukaan dari baja karbon rendah ST 36 yang dideposisi dengan teknik nitridasi dalam plasma lucutan pijar.

DASAR TEORI

Nitridasi adalah proses penambahan un-sur nitrogen pada permukaan bahan logam agar terjadi perubahan fasa (Fe2N, Fe3N) sehingga kekerasan permukaan meningkat. Modifikasi permukaan logam untuk mendapatkan sifat khusus seperti kekerasan dan ketahanan terhadap keausan dapat dilakukan dengan cara nitridasi gas yang diplasmakan.

Secara umum kekerasan diartikan sebagai ketahanan suatu bahan terhadap deformasi plastis dan angka kekerasan didefisinikan dengan beban terpasang (gf=gram force) dibagi dengan luas jejak (mm2).[4] Untuk jenis lapisan yang sangat tipis beban maksimal yang diijinkan adalah 2000 gf. Uji kekerasan dengan beban antara 10 gf sampai dengan 2000 gf dinamakan uji kekerasan mikro. Dalam prakteknya pengujian kekerasan suatu permukaan material dapat menggunakan uji keras Brinell, Vikers atau Knoop. Perbedaan dari ketiganya tersebut adalah bentuk jejak dari indentornya. Dalam penelitian ini uji keras menggunakan indentor Knoop dengan beban yang seringan mungkin, karena bila bebannya terlalu berat hasil uji kekerasannya tidak akan teliti, sebab ujung indentornya akan menembus bahan dasarnya sehingga hasil uji tidak seperti yang diinginkan. Adapun angka kekerasan Knoop dapat dihitung dengan persaman :

223,14LPKHN = (1)

dengan P : beban yang terpasang (gf) L : panjang diagonal jejak indentor ( µm)

Sedangkan prosentase kenaikan kekerasan mikro yang diperoleh dari hasil nitridasi adalah menggunakan persamaan berikut:

%100%0

01 xX

XXKHN

−=

(2) dengan

Xi = Nilai kekerasan mikro setelah dinitridasi X0 = Nilai kekerasan mikro sebelum dinitridasi

TATA KERJA

Dalam melakukan penelitian ini melalui beberapa tahapan, yaitu persiapan substrat, proses nitridasi dengan plasma lucutan pijar, kemudian

pengujian kekerasan material dengan meng-gunakan Micro Hardness Tester MXT 70.

Bahan Dalam penelitian ini digunakan material

baja karbon rendah ST 36, kertas gosok/ampelas ukuran kekasaran 120, 220, 300, 400, 600, 800, 1000, 1200 dan 1500 mesh, kain bludru, pasta intan ukuran 0,25 micron, kertas perekat dobel sisi, air dan alkohol.

Peralatan Satu unit plasma lucutan pijar, mesin poles,

gergaji, kikir, ultrasonic cleaner, tanggem, gunting kertas, desikator dan Micro Hardness Tester MXT 70.

Persiapan cuplikan Bahan yang akan di nitridasi terlebih dulu

harus dipersiapkan sebagai substrat. Oleh karena lapisan yang terjadi pada permukaan material sangat tipis maka permukaan cuplikan sendiri harus betul-betul rata, halus dan mengkilap. Untuk membuat permukaan substrat ini menjadi betul-betul rata, halus dan mengkilap dipoles dengan menggunakan mesin poles. Bagan mesin poles ini seperti disajikan pada Gambar 1.

Adapun langkah persiapannya sebagai berikut 1. Bahan uji (baja karbon rendah ST 36) dipotong

dengan menggunakan gergaji dengan ukuran diameter 20 mm dan tebal 10 mm.

2. Menghaluskan pada bagian kedua sisinya dengan menggunakan kikir

3. Memasang kertas gosok pada piringan mesin poles dengan cara direkatkan menggunakan isolasi double layer

4. Menghaluskan salah satu sisi dari bahan uji tersebut dengan cara menggosokkan diatas mesin poles yang telah dipasang kertas gosok pada awalnya digunakan kertas gosok dengan ukuran 120 mesh sambil didinginkan dengan air dengan cara meneteskan saat dilakukan pemolesan. Kemudian secara berurutan diganti dengan kertas gosok yang lebih halus dan yang terakhir paling halus yaitu ukuran 1500 mesh.

5. Untuk mendapatkan substrat yang halus rata dan mengkilap, substrat digosokkan diatas kain bludru yang telah dibubuhi pasta intan dan ditetesi air

6. Mencuci substrat menggunakan air dan detergen agar substrat bebas dari lemak, kemudian dikeringkan

7. Mencuci substrat dengan menggunakan alkohol dengan cara dimasukkan di dalam gelas yang telah diisi dengan alkohol kemudian dimasukan kedalam ultra sonic cleaner yang telah diisi air,




kemudian ultra sonic cleaner dihidupkan kurang lebih 30 menit.

8. Subtrat dikeringkan dengan menggunakan hair dryier kemudian dimasukkan ke dalam desikator untuk menunggu proses nitridasi.

Gambar 1. Mesin poles

Keterangan gambar 1. Motor listrik 2. Piringan poles 3. Badan mesin poles 4. Sabuk pemutar

Proses nitridasi Untuk meningkatkan kekerasan permu-

kaan suatu material satu diantaranya adalah dengan teknik nitridasi menggunakan plasma lucutan pijar. Nitridasi adalah proses penambahan unsur nitrogen pada permukaan bahan logam agar terjadi perubahan fasa (Fe2N, Fe3N) sehingga kekerasan permukaan meningkat. Bagan dari unit plasma lucutan pijar disajikan pada Gambar 2.

Langkah-langkah proses nitridasi sebagai berikut 1. Meletakkan substrat pada di dalam tabung

reaktor plasma lucutan pijar 2. Menghubungkan unit plasma lucutan pijar

dengan power listrik dari PLN 3. Pompa rotari dihidupkan, pemanas subtrat

dihidupkan dengan cara menaikkan tegangan pada super volt sekitar 40 volt.

4. Setelah tekanan vakum mencapai 2 × 10-2 Torr dan pemanas substrat mencapai suhu yang diinginkan, proses nitridasi segera dimulai dengan menghidupkan alat pencatat frekuensi, mengalirkan gas nitrogen masuk tabung reaktor plasma sampai tekanan vakum turun menjadi 2 × 10-1 Torr, kemudian mengidupkan sumber daya RF.

5. Demikian selanjutnya dilakukan hal yang sama dengan suhu dan waktu yang divariasi sesuai dengan yang diinginkan

Gambar 2. Unit plasma lucutan pijar

Keterangan gambar 1. Katup pengatur aliran gas 2. Tabung reaktor plasma 3. Pirani meter 4. Katup isolator vakum 5. Pompa difusi 6. Katup by pass 7. Pompa rotari 8. Elektroda dan pemanas 9. Variak

Gambar 3. Alat uji kekerasan Micro Hardness Tester MXT 70

Keterangan gambar a. Indentor piramida intan b. Lensa obyektif c. Tempat substrat d. Lensa okuler e. Tombol read f. Knoop putar beban indentor g. Knoop putar penggeser

substrat h. Knoop putar pemfokus lensa i. Knoop putar pengatur panjang diagonal jejak




Proses pengujian Apabila benda uji telah dinitridasi, maka

untuk mengetahui peningkatan kekerasannya perlu diuji dengan menggunakan alat Micro Hardness Tester MXT 70, di PAU UGM. Gambar alat uji kekerasan tersebut disajikan pada Gambar 3. Agar pengujian kekerasan ini lebih teliti setiap subtrat diuji pada 3 tempat titik.

Langkah pengujian sebagai berikut 1. Menyambung alat uji kekerasan tersebut

dengan sumber listrik PLN 2. Meletakkan substrat pada tempatnya 3. Pilih berat beban yang digunakan sebagai

beban terpasang 4. Dengan menggunakan alat uji tersebut pilih

permukaan yang paling rata dan tekan tempat tersebut selama 15 detik dengan menggunakan indentornya catat angka kekerasannya dicatat

5. Demikian selanjutnya dilakukan pada setiap substrat pada 3 tempat titik.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pengujian kekerasan pada permukaan material hasil proses nitridasi

Dari hasil pengujian kekerasan serta perhitungan deviasi standar terhadap permukaan baja karbon rendah ST 36 sesudah dinitridasi plasma lucutan pijar dengan variasi suhu dan waktu nitridasi diperoleh angka kekerasan Knoop rata-rata seperti yang disajikan pada Tabel 2. Sedangkan hasil uji kekerasan pada material awal seperti disajikan pada Tabel 1.

Tabel 1. Angka kekerasan Knoop meterial awal

No L (µm) KHN 1 31,4 144,6 2 31,6 142,4 3 31,4 144,6 4 31,5 143,4 5 31,5 143,4

Dari data hasil pengujian kekerasan awal baja karbon rendah ST 36 maka diperoleh kekerasan awal rata-rata adalah sebesar 143,68 ± 0,03 KHN Dari data-data angka kekerasan Knoop tersebut, kemudian dilakukan perhitungan untuk menentukan perbandingan nilai kekerasan material baja karbon rendah ST 36 sebelum dan sesudah dilakukan proses nitridasi menggunakan plasma lucutan pijar dengan variasi suhu dan waktu nitridasi (contoh berikut diambil dari data hasil nitridasi dengan suhu 3000C dan waktu nitridasi 150 menit), yaitu

%16,169%10068,143

68,14374,386=

− x

Tabel 2. Angka kekerasan Knoop rata-rata untuk material baja karbon rendah St 36 hasil proses nitridasi plasma lucutan pijar

Suhu

Substrat (0 C)

Waktu nitridasi (menit)

Kekerasan (KHN)

30 191,46 ± 0,80 60 204,78 ± 0,93 90 234,72 ± 0,71 120 276,58 ± 0,89

200

150 307,80 ± 1,29 30 219,80 ± 0,86 60 234,72 ± 0,71 90 264,30 ± 1,02 120 306,66 ± 1,46

250

150 343,90 ± 1,72 30 247,00 ± 1,45 60 311,28 ± 1,08 90 320,18 ± 1,13 120 346,62 ± 1,71

300

150 386,74 ± 3,30 30 281,50 ± 0,93 60 292,36 ± 1,57 90 308,44 ± 2,58 120 319,02 ± 2,58

350

150 290,28 ± 1,34

Dengan prosedur yang sama maka akan diperoleh prosentase peningkatan angka kekerasan Knoop dari meterial baja karbon rendah ST 36 se-sudah proses nitridasi seperti disajikan pada Tabel 3.

Dari data-data tersebut maka dapat disimpulkan bahwa proses nitridasi plasama lucutan pijar pada baja karbon rendah St 36 pada suhu 3000C dan waktu nitridasi 150 menit memberikan angka kekerasan Knoop (KHN) yang tertinggi yaitu sebesar 386,74 ± 33 KHN, ini berarti terjadi peningkatan kekerasan sebesar 169, 16 % dibandingkan dengan material awal yang angka kekerasaannya sebesar 143,68 ± 0,93 KHN

Pengaruh waktu nitridasi terhadap keke-rasan

Salah satu parameter yang divariasi dalam penelitian ini adalah waktu pendeposisian. Waktu pendeposisian ini akan mempengaruhi kualitas lapisan nitrida yang terbentuk misalnya tingkat kekerasan yang dihasilkan. Lamanya waktu pende-posisian akan berpengaruh terhadap banyaknya atom-atom nitrogen yang terdeposisi maupun penetrasi atom-atom pada permukaan material dan




ketebalan lapisan nitrida yang terbentuk pada permukaan substrat. Hubungan tingkat kekerasan dengan waktu pende-posisian pada permukaan baja karbon rendah ST 36 hasil proses nitridasi plasma lucutan pijar untuk berbagai suhu substrat disajikan pada Gambar 4. Tabel 3. Prosentase kenaikan kekerasan baja karbon

rendah ST 36 sesudah peroses nitridasi plasma lucutan pijar

Suhu

substrat (0 C) Waktu

nitridasi (menit)

Kekerasan (KHN)

30 33,25 60 42,52 90 63,36

120 92,49

200

150 114,22 30 52,75 60 63,36 90 83,95

120 113,43

250

150 139,35 30 71,90 60 116,64 90 122,84

120 141,24

300

150 169,16 30 95,92 60 103,47 90 114,67

120 122,03

350

150 102,03

Gambar 4. Grafik fungsi angka kekerasan terhadap

waktu pendeposisian dengan variasi suhu

Dari Gambar 4 terlihat bahwa nilai kekerasan optimum dari baja karbon rendah ST 36 setelah mengalami proses nitridasi menggunakan teknik plasma lucutan pijar dicapai waktu pendeposisian selama 150 menit. Hal ini disebab-kan karena pada permukaan substrat (atom-atom Fe) telah berikatan kuat dengan ion-ion nitrogen yang

berdifusi menempati posisi sisipan pada kisis-kisi kristal (batas butir) pada permukaan substrat, sehingga kerapatan bahan disekitar permukaan meningkat dan menghasilkan lapisan tipis nitrida besi.

Pada saat proses nitridasi dengan waktu pendeposisian kurang dari 150 menit ion-ion nitrogen belum secara maksimal berikatan dengan atom-atom Fe, dimana pada permukaan substrat masih banyak terdapat ruang sisipan yang belum terisi oleh ion-ion nitrogen, sehingga kekerasannya belum maksimal.

Pada saat proses nitridasi dengan waktu pendeposisian lebih dari 150 menit, ion-ion nitrogen yang terdeposisi ke dalam permukaan substrat akan semakin banyak. Hal ini akan menyebabkan terjadinya ikatan yang kuat antara ion-ion nitrogen dengan unsur Fe pada permukaan substrat sehingga yang terbentuk bukan lagi sebagai karbida besi, melainkan hanya merupakan unsur senyawa nitrida besi. Jika waktu yang diberikan untuk proses nitridasi semakin lama, maka kekerasan permukaan substrat justru akan semakin turun, hal ini disebabkan karena bahan mengalami sifat jenuh atau adanya penyebaran lapisan sampai kesisi permukaan sehingga yang terdapat pada permukaan bukan lagi unsur senyawa nitrida besi melainkan hanya unsur ion-ion nitrogen . Hal ini berarti penambahan waktu hanya akan menyebabkan pemborosan waktu dan biaya.

Pengaruh suhu substrat terhadap keke-rasan

Gerakan atom-atom akan sangat berpe-ngaruh dalam proses difusi ion-ion nitrogen dalam permukaan substrat. Oleh karena itu dibuat variasi suhu substrat mulai dari suhu 200, 250, 300, dan 3500C, dengan waktu pendeposisian mulai dari 30, 60, 90, 120 dan 150 menit. Meningkatnya suhu substrat akan menyebabkan atom-atom pada subs-trat akan bergetar karena pengaruh energi panas. Dengan bergetarnya atom-atom pada permukaan substrat maka jarak atom-atom akan semakin besar, hal ini akan menyebabkan kelarutan atom-atom nitrogen ke dalam permukaan substrat akan semakin bertambah, juga penetrasi atom-atom nitrogen pada permukaan substrat akan masuk lebih dalam.

Hubungan antara tingkat kekerasan dengan suhu substrat pada permukaan baja karbon rendah ST 36 hasil proses nitridasi plasma lucutan pijar untuk berbagai variasi waktu pendeposisian disajikan pada Gambar 5.

Dari Gambar 5 terlihat bahwa kekerasan permukaan baja karbon rendah ST 36 dicapai kekerasan optimum pada suhu 3000C dan waktu pendeposisian 150 menit. Hal ini disebabkan karena pada suhu getaran atom-atom substrat (atom-atom




Fe) akan tinggi pula dan membuat jarak atara atom semakin jauh sehingga atom-atom nitrogen akan lebih mudah berdifusi diantara celah-celah atom Fe, sehingga hal ini akan menye-babkan atom-atom nitrogen mudah menyisip diantara atom-atom Fe pada permukaan substrat.

Gambar 5. Grafik fungsi angka kekerasan terhadap

suhu substrat untuk berbagai variasi waktu

Banyaknya atom nitrogen yang terde-posisi kepermukaan substrat membuat kerapatan batas butir meningkat dan menyebabkan permu-kaan substrat lebih rapat dan halus sehingga kekerasannya meningkat. Atom-atom nitrogen yang masuk ke dalam permukaan substrat mem-punyai ukuran yang lebih kecil dibanding dengan atom Fe dan akan menempati ruang diantara atom Fe secara interstsi.

KESIMPULAN Dari data hasil penelitian dan pembahasan

yang telah dilakukan, maka dapat disimpulkan sebagai berikut;

1. Terjadi peningkatan kekerasan permu-kaan material sebesar 169,16% pada baja karbon rendah ST 36 sesudah men-dapatkan perlakuan pada permukaannya dengan teknik nitridasi plasma lucutan pijar. Dengan variasi suhu dan waktu pendeposisian kekerasan tertinggi sebesar 386,74 ± 3,3 KHN dicapai pada waktu pendeposisian 150 menit dan suhu substrat 3000C

2. Proses nitridasi dengan teknik plasma lucutan pijar akan dapat meningkatkan kekerasan permukaan material, akan tetapi semakin tinggi suhu dan lama waktu pendeposisian justru menyebabkan semakin turun kekerasannya. Hal ini berarti bahwa penambahan waktu hanya akan menyebabkan pemborosan waktu dan biaya.

UCAPAN TERIMA KASIH

Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada Bapak Drs. BA. Tjipto Sujitno, MT., APU yang telah banyak membimbing dan memberikan dorongan sehingga makalah ini dapat diselesaikan

DAFTAR PUSTAKA

1. TJIPTO SUJITNO, SUPARDJONO MUJIMAN, 1996. ” Pengaruh Waktu Nitridasi Terhadap Kekerasan Permukaan Baja Karbon Rendah AISI 1010 Yang Dinitridasi Dengan Teknik Plasma Lucutan Pijar” Prosiding Pertemuan Ilmiah, PPNY-BATAN Yogyakarta.

2. DIETER, G.E., 1987. ”Metallurgi Mekanik” Jlid I, Edisi ketiga, Penterjemah Sriati Djapri, Penerbit Erlangga, Jakarta

3. KONUMA, M., 1993.” Film Deposition by Plasma Techiques” Springer-Verlag, New York

4. ANDI, W., 2002.” Proses Pengerasan Permukaan Baja ST 40 dengan Metode Carburizing Plasma Lucutan Pijar”. Sripsi Universitas Diponegoro Semarang

TANYA JAWAB

Tony Rahardjo Bagaimanakah pengaruh tekanan vakum sebelum dilakukan proses nitridasi terhadap hasil akhir nitridasi dari baja karbon rendah ST 36

Sumarmo Semakin tinggi tekanan vakum sebelum dilakukan proses nitridasi akan memberikan hasil akhir yang semakin baik. Hal ini disebabkan karena semakin tingginya tekanan vakum maka atom-atom udara di dalam tabung reaktor plasma semakin sedikit, sehingga dapat menjamin tingkat kemurnian gas nitrogen dialirkan ke dalam tabung reaktor plasmapada saat dilakukan proses nitridasi. Sebaliknya bila tekanan vakum semakin rendah maka atom-atom udara di dalam tabuung plasma masih cukup banyak sehingga akan menurunkan tingkat ke-murnian gas nitrogen yang dialirkan ke dalam tabung reaktor plasma pada saat dilakukan proses nitridasi dan akan mem-pengaruhi hasil nitridasi yang kurang baik.

pengujian kekerasan baja karbon rendah st 36 hasil nitridasi menggunakan teknik plasma lucutan

Documents