PENGARUH PERILAKU AGING PADUAN Co-Cr-Mo DENGAN VARIASI NITROGEN (ASTM F75) UNTUK APLIKASI BIOMEDIS

Noviardi1, Fendy Rokhmanto2, Cahya Sutowo2, Alfirano3

1. Mahasiswa Jurusan Teknik Metalurgi Universitas Sultan Ageng Tirtayasa2. Pusat Penelitian Metalurgi dan Material – LIPI

3. Dosen Jurusan Teknik Metalurgi Universitas Sultan Ageng TirtayasaE-mail: noviardi1992@gmail.com, csutowo@yahoo.com, fendy.rokhmanto@gmail.com,

alfirano@ft-untirta.ac.id

AbstrakLogam paduan Co-Cr-Mo (ASTM F75) merupakan logam implan dari hasil casting yang perlu

dilakukan proses perlakuan panas lanjutan untuk mendapatkan sifat fisik dan mekanik yang diinginkan. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh perilaku aging terhadap struktur mikro dan kekerasan yang terbentuk pada paduan Co-Cr-Mo (ASTM F75). Komposisi paduan yang digunakan dalam penelitian ini yaitu: Co-28Cr-6Mo-0,25C dan Co-28Cr-6Mo-0,25C-0,2N. Spesimen yang berbentuk ingot dipotong dengan dimensi 10 mm x 10 mm x 5 mm serta dimasukan kedalam silica ampoule, kemudian dilakukan solution treatment pada temperatur 1523 K selama 12 jam dan didinginkan dengan media air es. Selanjutnya dilakukan proses aging treatment pada temperatur 1073 K, 1173 K, 1273 K dan 1373 K dengan waktu tahan masing-masing sampel 12 jam, 18 jam dan 24 jam serta didinginkan dengan media aie es. Karakterisasi yang digunakan meliputi pengujian kekerasan dan pengamatan metalografi untuk setiap perlakuan pada as-cast, solution treatment, dan aging treatment. Hasil pengujian kekerasan menunjukan bahwa paduan Co-28Cr-6Mo-0,25C (tanpa penambahan N) memiliki nilai kekerasan rata-rata tertinggi sebesar 44,7 HRC, sedangkan nilai kekerasan terendah terdapat pada paduan Co-28Cr-6Mo-0,25C-0,2N dengan rata-rata nilai sebesar 31,4 HRC. Dari hasil pengamatan metalografi, dapat diketahui banyaknya presipitat yang muncul dan larut disetiap sampel. Peningkatan kekerasan seiring dengan meningkatnya jumlah presipitat mengindikasikan terjadinya precipitation hardening.

Kata Kunci: Co-Cr-Mo (ASTM F75), silica ampoule, as-cast, solution treatment, aging treatment, presipitat, precipitation hardening.

PENDAHULUANSetiap tahun jutaan orang di dunia menderita berbagai penyakit tulang yang

diakibatkan oleh trauma, tumor, osteoporosis atau patah tulang. Salah satu usaha untuk tetap memiliki harapan hidup pada kasus-kasus ini yaitu dengan teknik implantasi untuk menggantikan jaringan tulang yang hilang atau rusak. Banyaknya kerusakan tulang yang substansial pada berbagai kasus tersebut semakin meningkatkan kebutuhan akan bahan implan atau biomaterial yang mampu menggantikan fungsi dari jaringan tulang yang rusak. Dengan meningkatnya jumlah permintaan biomaterial, pengembangan bahan biomaterial logam untuk aplikasi biomedis ini merupakan suatu kebutuhan yang sangat penting.[1] Data dari International Osteoporosis Foundation (IOF) menyebutkan bahwa di seluruh dunia, satu dari tiga wanita dan satu dari delapan pria yang berusia di atas 50 tahun memiliki risiko mengalami patah tulang akibat osteoporosis dalam hidup mereka.

Logam yang memiliki sifat biokompatibilitas adalah logam implan dalam tubuh yang tidak ditolak tubuh, tidak menimbulkan alergi, dan dapat menyatu dengan jaringan, seperti jaringan tulang.[2] Salah satu logam yang sering digunakan untuk mengganti implan jaringan tubuh yang rusak adalah logam berbasis kobalt.

Kobalt merupakan material implan logam yang banyak digunakan untuk mengganti jaringan tubuh yang mengalami gesekan seperti pada sambungan tulang pinggul dan lutut. Material dengan paduan Co-Cr-Mo ini memiliki biokompatibilitas yang baik, ketahanan

terhadap korosi, ketahanan aus yang tinggi dan sifat mekanik seperti kekerasan yang baik sehingga baik digunakan sebagai material implan.[3-5] Oleh karena itu dibutuhkan perbaikan karakteristik pada paduan ini terutama pada ketahanan aus dan ketahanan sifat mekanik guna memperluas kemajuan aplikasi biomedis dari paduan ini.[6] Paduan Co-Cr-Mo (ASTM F75) hasil pengecoran memiliki sejumlah presipitat yang tersebar di dalam matrik. Sifat kekerasan Co-Cr-Mo sangat dipengaruhi oleh jumlah dan distribusi presipitat yang tersebar didalam matriks. Untuk mencapai sifat mekanis yang diperlukan, maka dilakukan proses heat treatment untuk menghilangkan cacat yang terjadi akibat proses pengecoran yang dilakukan serta untuk memperbaiki sifat mekanik dari paduan Co-Cr-Mo. Oleh karena itu, karbida yang terbentuk selama proses heat treatment pada paduan Co-Cr-Mo perlu diketahui. Senyawa karbida yang mengendap dan terlarut perlu diketahui untuk efektivitas dalam proses manufaktur paduan Co-Cr-Mo yang secara sistematis menerangkan pembentukan karbida selama perlakuan dalam pengerjaan.[7]

Adapun tujuan penelitian ini untuk mengetahui pengaruh perilaku aging terhadap struktur mikro dan kekerasan pada paduan Co-Cr-Mo dengan variasi Nitrogen (ASTM F75).

METODE PERCOBAANPreparasi

Dalam penelitian ini menggunakan spesimen standar ASTM F75 dengan komposisi paduan seperti pada tabel 1.

Tabel 1. Komposisi paduan Co-Cr-Mo (ASTM F75)

No.Komposisi (%)

Co Cr Mo Si Mn Fe Ni C N1. 63.55 28 6 0.8 0.8 0.4 0.2 0.25 02. 63.55 28 6 0.8 0.8 0.4 0.2 0.25 0.2

Mula-mula spesimen dipreparasi dan dipotong dengan dimensi 10 mm x 10 mm x 5 mm serta dimasukkan kedalam silica ampoule untuk meminimalisir terjadinya dekarburisasi pada sampel saat dilakukan proses heat treatment.

Proses Heat TreatmentPada proses heat treatment, prosedur yang pertama dilakukan adalah solution

treatment dengan memasukkan sampel ke dalam furnace, kemudian mengatur furnace pada temperatur 1523 K (1250 oC). Ketika mencapai temperatur 1523 K (1250 oC), kemudian furnace ditahan selama 12 jam. Setelah ditahan selama 12 jam, sampel dikeluarkan dan lakukan pendinginan menggunakan metode quenching dengan media air es disertai memecahkan silica ampoule. Untuk mengetahui pengaruh perlakuan panas maka dilakukan proses aging treatment. Pada saat proses aging treatment, prosedur pertama yang dilakukan adalah membungkus kembali sampel menggunakan silica ampoule dan memasukkan sampel ke dalam furnace, kemudian mengatur furnace pada masing-masing temperatur 1073 K (800oC), 1173 K (900oC), 1273 K (1000oC), 1373 K (1100oC) dengan waktu tahan masing-masing sampel yaitu 12 jam, 18 jam dan 24 jam. Setelah selesai, sampel dikeluarkan dan lakukan pendinginan menggunakan metode quenching dengan media air es disertai memecahkan silica ampoule.

KarakterisasiSampel yang sudah dilakukan proses heat treatment kemudian dilakukan preparasi

untuk karakterisasi selanjutnya. Untuk sampel metalografi, pada sampel dilakukan grinding,

polishing dan dietsa dengan metode electrolytic etch menggunakan larutan methanol (10% H2SO4) serta dialirkan tegangan sebesar 6 V. Setelah itu dilakukan pengamatan menggunakan mikroskop optik untuk melihat struktur mikro dan presipitat yang terbentuk. Pengujian kekerasan dilakukan menggunakan Rockwell hardness test sebanyak 3 titik di setiap sampel uji.

HASIL DAN PEMBAHASANHasil Metalografi

Gambar 1. Struktur mikro dengan perbesaran 100x sampel as-cast (a) 0,25C-0N, (b) 0,25C-0,2N; sampel setelah solution treatment (c) 0,25C-0N, (d) 0,25C-0,2N.

Gambar 2. Struktur mikro dengan perbesaran 100x setelah aging treatment temperatur 1273-K pada sampel 1 dengan waktu tahan (a) 12 jam, (b) 18 jam, (c) 24 jam; serta waktu tahan

pada sampel 2 (d) 12 jam, (e) 18 jam,(f) 24 jam.

a b

c d

a b c

d e f

Hasil pengamatan metalografi yang dilakukan menggunakan optical microscope, dapat dilihat bahwa terdapat presipitat di dalam matrik paduan Co-Cr-Mo. Temperatur pemanasan dan waktu penahanan yang berbeda-beda menunjukan struktur mikro yang berbeda pula. Pengamatan yang dilakukan oleh Claudio et al pada tahun 2001 tentang kelarutan karbida as-cast paduan ASTM F75 didapat struktur mikro pada as-cast kaya akan Co pada matrik dendrit dan interdendritik dan karbida pada batas butir. Jenis struktur mikro yang dihasilkan paduan Co-Cr-Mo-C berdasarkan ASTM F75 yang digunakan untuk implan orthopedik adalah fcc pada matrik memperlihatkan interdendritik dan presipitat pada batas butir. Secara umum didapat presipitat merupakan paduan dari karbida M23C6, fasa intermetalik (σ) dan fasa fcc. Selama proses solidifikasi, paduan kemudian diberikan perlakuan panas untuk menimbulkan presipitat carbide lamellar “tipe pearlite” dibatas butir. Presipitat karbida menggambarkan sebagian besar kekuatan.[8] Penambahan kadar karbon pada paduan Co-Cr-Mo akan membentuk karbida yang lebih banyak.[9]

Dapat dilihat bahwa semakin tinggi kadar nitrogen yang terdapat pada paduan, maka presipitat yang terbentuk akan semakin banyak. Setalah dilakukan proses aging treatment, sampel dilakukan pengamatan metalografi. Dari hasil metalografi, terlihat bahwa kelarutan presipitat terjadi pada temperatur 1073 K sampat dengan temperatur 1373 K. Pada temperatur 1373 K dengan waktu tahan selama 24 jam diketahui bahwa secara keseluruhan presipitat sudah mulai larut sempurna. Presipitat yang terbentuk mengalami kelarutan seiring dengan semakin tingginya temperatur dan waktu tahan.

Uji Kekerasan

Tabel 2. Data rata-rata nilai kekerasan sampel 1 (0,25C-0N) dan sampel 2 (0,25C-0,2N)

PerlakuanKekerasan (HRC)

1 2As-cast 34.3 36.0

Solution treatment 40.4 36.21073 K

12 Jam 38.5 43.518 Jam 43.0 43.624 Jam 44.7 43.8

1173 K12 Jam 41.2 35.118 Jam 37.5 36.324 Jam 41.1 40.1

1273 K12 Jam 34.5 31.418 Jam 35.3 31.824 Jam 38.9 34.4

1373 K12 Jam 43.9 39.718 Jam 35.3 36.224 Jam 39.8 37.8

As-cast S.T 12 hr 18 hr 24 hr20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

45.0

50.0

800 C

900 C

1000 C

1100 CN

ilai

Kek

eras

an

As-cast S.T 12 hr 18 hr 24 hr20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

45.0

800 C

900 C

1000 C

1100 C

Nil

ai K

eker

asan

Gambar 3. Grafik nilai kekerasan (a) sampel 1 (0,25C-0N) dan (b) sampel 2 (0,25C-0,2N)

Data pada tabel 2 dan gambar 3 menunjukan hasil pengujian kekerasan yang dilakukan untuk mengetahui pengaruh perbedaan temperatur dan waktu tahan serta penambahan nitrogen pada paduan Co-Cr-Mo. Pengujian kekerasan ini menggunakan alat uji Rockwell hardness test dengan indentor Rockwell C serta pembebanan 1471 N. Terlihat pada grafik bahwa terjadi peningkatan kekerasan saat di lakukan proses solution treatment pada temperatur 1523 K. Pada proses solution treatment, elemen paduan akan larut dan menghasilkan elemen tersebut tidak memiliki kesempatan berdifusi keluar apabila paduan tersebut diquenching, dengan demikian larutan padat yang homogen akan terbentuk. Kekerasan tertinggi terdapat pada hasil aging treatment pada temperatur 1073 K dengan waktu tahan 24 jam, sedangkan kekerasan terendah terdapat pada hasil aging treatment pada temperatur 1273 K dengan waktu tahan selama 12 jam. Mekanisme kekerasan pada paduan Co-Cr-Mo pada saat perlakuan panas terjadi karena pada kondisi γ pada paduan Co-Cr-Mo mengalami pengerasan yang disebabkan oleh presipitat.[10]

Semakin tinggi temperatur dan waktu tahan heat treatment maka presipitat akan semakin larut sempurna, sehingga pengerasan terjadi akibat terbentuknya martensit pada γ karena pada γ paduan Co-Cr-Mo pengerasan terjadi akibat solid-solution strenghthened.[10]

KESIMPULANPengaruh perlakuan aging paduan Co-Cr-Mo (ASTM F75) terhadap struktur mikro

dan kekerasan telah dilakukan. Dapat disimpulkan dari hasil penelitian ini bahwa terdapat presipitat dalam matriks paduan Co-Cr-Mo (ASTM F75). Dari hasil pengamatan metalografi menyatakan bahwa semakin tinggi kadar nitrogen yang terdapat pada paduan, maka presipitat yang terbentuk akan semakin banyak. Setalah dilakukan aging treatment, sampel dilakukan pengamatan mikrostruktur, terjadi kelarutan presipitat pada temperatur 1073 K sampai

a

b

dengan temperatur 1373 K. Presipitat yang terbentuk mengalami kelarutan seiring dengan semakin tingginya temperatur dan waktu tahan. Semakin tinggi temperatur dan waktu tahan aging treatment maka presipitat akan semakin larut sempurna dan akan mempengaruhi nilai kekerasan. Pengerasan ini terjadi akibat terbentuknya martensit pada γ karena pada γ paduan Co-Cr-Mo pengerasan terjadi akibat solid-solution strenghthened. Peningkatan kekerasan seiring dengan meningkatnya jumlah presipitat mengindikasikan terjadinya precipitation hardening.

Daftar Referensi[1] Mitsuo Niinomi, Takao Hanawa, Takayuki Narushima. 2005. Japanese Research and

Development on Metallic Biomedical, Dental and Healthcare Materials, p 21.[2] Yuswono. 2005. Pembuatan Logam Paduan Biocompatibel (Co-30%Cr-5%Mo)

Melalui Pengerjaan Tempa. Seminar Material Metalurgi. LIPI.[3] Mitsuo Niinomi. 2002. Recent metallic materials for biomedical applications. Metall.

Mater. Trans. A 33, 477–486.[4] Buford, A, Goswami, T. 2004. Review of wear mechanisms in hip implants: paper I –

general. Mater. Design 25, 385-393.[5] Chiba et al. 2007. Pin-no-disk wear behavior in a like-on-like configuration in a

biological environment of high carbon cast and low carbon forged Co-29Cr-6Mo alloys. Acta Mater. 55, 1309-1318.

[6] Mineta et al., 2010. Carbide formation and dissolution in biomedical Co–Cr–Mo alloys with different carbon contents during solution treatment. Metall. Mater. Trans. A 41A, 2129–2138.

[7] Alfirano et al. 2011. Precipitates in As-Cast and Heat-Treated ASTM F75 Co-Cr-Mo-C Alloys Containing Si or Mn.

[8] Caudillo et ak. 2001. On Carbide Dissolution in An As-cast ASTM F75 Alloy. John Wiley & Sons, Inc.

[9] Mineta Shingo et al. 2010. Carbide Formation and Dissolution in Biomedical Co-Cr-Mo Alloys with Different Carbon Contents during Solution Treatment. The Minerals, Metals & Materials Society and ASM International.

[10] ASM Speciality Handbook. Heat-Resistant Materials.