EFEK IMPLANTASI NITROGEN TERHADAP LAJU PERTUMBUHAN KERAK OKSIDA PADA PADUAN DI LINGKUNGAN OKSIGEN TEMPERATUR TINGGI.

Transkripsi

1 M. Munawir Zulkarnain, dkk. ISSN EFEK IMPLANTASI NITROGEN TERHADAP LAJU PERTUMBUHAN KERAK OKSIDA PADA PADUAN DI LINGKUNGAN OKSIGEN TEMPERATUR TINGGI. M. Munawir Zulkarnain Pusa Pengembangan Perangka Nuklir -Baan Tjipo.S Puslibang Teknologi Maju-Baan Pudji Unoro Puslibang Sisem Reakor Maju - Baan ABSTRAK EFEK IMPLANTASI NITROGEN TERHADAP LAJU PERTUMBUHAN KERAK OKSIDA PADA PADUAN DI LINGKUNGAN OKSIGEN TEMPERATUR TINGGI. Efek implanasi nirogen erhadap laju perumbuhan kerak oksida pada paduan di lingkungan oksigen emperaur inggi Implanasi Ion Nirogen elah digunakan unuk meningkakan keahanan korosi bahan rekayasa emperaur inggi. Implanasi dilakukan menggunakan akseleraor ion enaga rendah pada energi 00 kev. Paduan sebagai bahan uji coba dipilih SS 304, SS 36 dan Fe Ni Cr yang biasa dipakai di lingkungan emperaur di aas 400 C sebagai lingkungan korosi panas. Bahan uji di coaing dengan Yrium, kemudian di implanasi dengan Nirogen pada dosis O (anpa implanasi). 0 7 ion/cm, ion/cm dan ion/cm. Uji korosi dilakukan di lingkungan oksigen emperaur inggi secara hermociclyc, selang waku jam pemanasan dan pendinginan jam selama 64 jam. Laju korosi diukur menggunakan imbangan mikro, hasilnya menunjukkan bahwa pada paduan yang elah dicoaing Yrium dan diimplanasi Nirogen akan menaikkan laju perumbuhan kerak, dan pada kondisi erenu dapa menaikkan sabilias lapisan kerak oksida, kondisi ini selain meningkakan sabilias kerak oksida juga meningkakan keahanan erhadap aus dan erosi. ABSTRACT EFFECT OF NITROGEN ION IMPLANTATION ON THE OXIDE SCALE GROWTH RATE ON ALLOYS IN HIGH TEMPERATURE OXIGEN ENVIRONMENT. Effec of nirogen ion implanaion on he oxide scale in high emperaure oxygen environmen for improving he corrosion resisance has been applied on alloys implaned yrium. Ion implanaion has been carried ou using low energi ion acceleraor a energy 00 kev. Samples were examined a his experimen were SS 304, SS 36 and FeNiCr which usually used > 400 o C. Before implaned wih nirogen, samples were coaed wih yrium. Coaed samples were han implaned wih nirogen for various of ion dose, namely 0 7 ion/cm, ion/cm, and ion/cm. Thermocyclic experimen has been carried ou in high emperaure oxygen environmen for 64 hours, hours for oxidaion and hour for cooling ime. Oxidaion rae were measured using microbalancing. I s found ha for samples coaed wih yrium and implaned wih nirogen ion shows an increasing in oxidaion rae. And a deermined value, i can improve he oxide scale. Beside his, i can also improve is wear and eroion. PENDAHULUAN E fisiensi suau proses indusri, dapa diingkakan melalui emperaur operasi, Namun bila pendekaan ini yang dipilih, hambaan yang akan dihadapi adalah keersediaan bahan logam/paduan logam emperaur inggi yang harganya selain mahal juga serangan korosi semakin inggi, sedang bila digunakan bahan yang ada dan lebih murah sera ersedia banyak dipasaran seperi paduan SS 36, SS 304, SS 36 L dan lain sebagainya, meski kondisi operasi erpenuhi, kemampuan menghadapi korosi emperaur inggi diragukan, eruama bila lingkungan gas sanga agresif, dan kondisi emperaur inggi bersifa hermocyclic. Kare na pada emperaur inggi korosi erjadi melalui difusi aom/molekul dari gas lingkungan ke dalam marik, bereaksi dengan unsur P3TM-BATAN Yogyakara, 7-8 Agusus 00

2 44 ISSN M. Munawir Zulkarnain, dkk. logam membenuk reaksi korosi di dalam marik aau aom dari dalam marik keluar bereaksi dengan gas dipermukaan membenuk oksida logam aau reaksi korosi sebagai kerak oksida (scale). Menginga pada emperaur semakin inggi, difusi semakin besar, maka proses korosi juga semakin cepa. Proses difusi ini dapa dikurangi, bila dipermukaan erbenuk lapisan oksida yang cukup rapa sehingga dapa menghalangi proses ranspor lebih lanju. Unuk mengaasi hal ini, perlu dilakukan proses modifikasi bahan, misalnya dengan menambah unsur pengua, unuk penghemaan biaya, modifikasi hanya dilakukan dipermukaan keunungannya selain jumlah unsur bisa lebih sediki, perlakuan modifikasi bisa dilakukan pada komponen yang sudah jadi. Modifikasi permukaan dengan menggunakan meode surface reamen seperi Coaing, Implanasi aaupun spuering elah banyak dipakai berbagai kepeningan, unuk peningkaan kualias bahan, seperi penambahan nirogen unuk peningkaan keahanan aus [], kekerasan [] sifa mekanik paduan besi [3] aau penambahan elemen Reakif Ce,Y, Zr, Ca aau aom lain Ti unuk peningkaan keahanan korosi. [4-9] Dalam laporan ini disajikan hasil peneliian pengaruh penambahan nirogen dengan eknik implanasi erhadap bahan yang elah diberi elemen reakif Yrium erhadap keahanan korosi emperaur inggi di lingkungan hermocyclis. Implanasi nirogen dimaksudkan unuk meningkakan efekifias Coaing Yrium yang punya kelemahan pengelupasan (spalasi) bersamaan dengan bila lapisan kerak yang erbenuk dipermukaan pengelupasan (spalasi) lapisan kerak korosi saa menghadapi serangan hermocyclis pada emperaur cukup inggi. Selain iu implanasi nirogen diharapkan juga menambah kemampuan dalam menghadapi serangan aliran gas dengan kecepaan cukup inggi dilingkungan emperaur inggi ersebu karena sifa penambahan nirogen pada bahan punya efek meningkakan kekerasan, keahanan aus dan serangan abrasi eknik modifikasi ini diharapkan, selain menjadikan bahan ahan korosi diberbagai lingkungan, juga ahan erhadap serangan gesekan mekanis dalam lingkungan cairan dan gas maupun benda pada. LATAR BELAKANG TEORI DAN HIPOTESA Coaing Yrium dilaksanakan dengan meode evaporasi, oleh beberapa parameer pening yang mempengaruhi proses coaing meode ini adalah : Jenis maerial yang akan dilapiskan (Zi, Mi) dan yang akan dilapisi (Zs, Ms) [] ekanan uap (p) [3] emperaur proses kondisi sisem (kebersihan) [6] geeomeri dimana jenis maerial yang akan dilapiskan akan berkaian dengan energi proses, yang diperlukan unuk penguapan, sedang maerial yang akan dilapisi berhubungan dengan kekuaan aom yang erdeposi dianara aom-aom sasaran. Tekanan uap berkaian dengan jumlah za sisa (residu) yang enu saja berkaian dengan jejak parikel aom yang akan erdeposi, sedang empe-raur eruama berhubungan dengan penguapan maerial yang akan diuapkan dan mempengaruhi ekanan uap jenuh anara P & T saling erkai. Goeneomeri sisem akan mempengaruhi jejak parikel dan disribusi keebalan sedang kebersihan akan mempengaruhi kemurnian hasil Coaing secara eori besarnya parikel yang akan erlapiskan yang mengikui hubungan [8] : Ni = Po ( π M KT) = Ps( MT ) dengan Ps : ekanan uap jenuh (orr) T : emperaur ( K) M : Bera molekul marial yang dilapisi (SMA) Bila sumber berbenuk iik (poin like) maka benuk disribusi dilakuka n mengikui hubungan : dengan o x 0 x = + h 3 = Tebal lapisan maksimum pada pusa x = Tebal lapisan pada jarak x dari poin V h = Jarak dari pusa umpu = Jarak sumber dengan subra. Sehingga benuk disribusi sejauh seperi erliha pada Gambar. Sedang bila sumber berbenuk pla dengan sasaran benuk pla maka disribusi ebal lapisan akan mengikui hubungan maemais : x 0 x = + h Sedang ebal lapisan yang diperoleh mengikui hubungan : = W ( π ph ) dengan W : Bera bahan yang diuapkan p : Masa jenis bahan yang akan dilapiskan (g/cm ) P3TM-BATAN Yogyakara, 7-8 Agusus 00

3 M. Munawir Zulkarnain, dkk. ISSN h : Jauh sumber ke subra Gambar. Benuk disribusi ebal lapisan hasil evaporasi sumber iik. Dari uraian di aas erliha bahwa Coaing Yrium hanya akan melapisi permukaan bahan pada keebalan aau o dengan kadar erganung waku oprasinya. Implanasi ion bera diharapkan dapa mendesak Yrium ke dalam bahan, melalui proses umbukan anara ion bera dan Yrium. Dalam hal ini dipakai nirogen dengan harapan, selain memperbaiki kedalaman penerasi Yrium, sekaligus membanu memperbaiki sifa bahan seperi kekerasan, keahanan erhadap aus, sifa kekerasan dan lain sebagainya. Menuru LSS jangkau kedalaman penerasi implanasi dengan idak melibakan fakor difusi adalah : R( A ) =. 0 o 6 i s Dengan penyebaran : ( R ( A )) = m + m 3 zi Z + No( 3mi + ms) Zi Zs 3m + m mi ( m + m ) 4 m o i s dengan E = Energi kineik raa-raa ion (KeV) mi I = Masa dan nomor aom ion ms zs = Masa dan nomor aom arge = Rapa aom sasaran No i = ρ N A m s dan ρ = Rapa masa NA = Bilangan avogadro ( ) am/ gra dengan mengabaikan fakor difusi. Implanasi ion akan diperoleh diribusi konsenrasi yang mengikui hubungan : s s R 3 s E D N ( x) = exp π R dengan D = Dosis ion x R R Sedang bila efek difusi dimasukkan, maka disri-busi konsenrasi mengikui hubungan D ( Rp x N( x) = exp D Rp + D 4 + R ρ dengan D = Koefisien difusi ion dalam subra Selain disribusi ion adanya difusi, juga akan menggeser posisi ion lebih kedalam mengikui hubungan : x = D dengan : waku pemanasan akiba implanasi Dari kedua pendekaan rumus diaas penggabungan anara Coaing Yrium dan implanasi nirogen ini selain akan memperbaiki disribusi Yrium dan kedalaman penerasi juga dapa meningkakan kualias bahan seperi keahanan erhadap serangan korosi, kekerasan, keahanan aus, keahanan erosi dan abrasi melalui ambahan Yrium dan nirogen. Permasalahannya apakah penambahan nirogen yang lebih banyak dan memperbaiki sifa mekanik bahan, apakah idak mempengaruhi keahanan korosi yang berari mengurangi efek elemen reakif dari Yrium sehingga menjadi kurang efekif. PELAKSANAAN PERCOBAAN Percobaan dilakukan dengan menggunakan sampel berbenuk cakram (disk) dengan diameer,5 cm, ebal mm, dengan erlebih dahulu di polish P3TM-BATAN Yogyakara, 7-8 Agusus 00

4 46 ISSN M. Munawir Zulkarnain, dkk. sampai mengkila dan dibersihkan dengan bahan kimia. Langkah ini unuk menjamin idak ada lagi kooran yang mengganggu proses modifikasi. Selanjunya bahan di Caoing dengan menggunakan Yrium, unuk mendapakan lapisan Yrium dengan disribusi cukup raa. Bahan-bahan yang elah di Caoing, selanjunya diimplanasi dengan nirogen, menggunakan akseleraor ion pada arus dan egangan eap, dan waku yang berbeda-beda. Dalam peneliian ini elah dilakukan pada 3 macam bahan yakni Fe Ni Cr, SS 304, dan SS 36 yang di Coaing dengan Yrium pada kondisi operasi sama. Sedang implanasi N dilakukan pada arus 0 µa dan egangan 00 kev waku oprasi berbeda-beda. Uji korosi emperaur inggi secara hermocyclis dilakukan pada emperaur 800 C, dilingkungan oksigen,7 bar waku korosi 8 jam dan pendinginan jam. Uji coba dilakukan selama 7 jam secara nonsop. HASIL DAN PEMBAHASAN Berdasar pengamaan dengan menggunakan imbangan mikro, pada saa sampel di arik keluar sekaligus sebagai proses pendinginan diperoleh hasil seperi erliha pada Gambar,, 3. Gambar. Grafik penambahan bera FeNiCr hasil pengamaan dengan imbangan mikro, yang di oksidasi di lingkungan emperaur inggi 800 o C, ekanan,7 bar, selama 7 jam secara hermocyclis waku oksidasi 8 jam dan pendinginan jam. Gambar 3. Grafik penambahan bera SS 304 hasil pengamaan dengan imbangan mikro, yang di oksidasi dilingkungan empereaur inggi 800 o C, P3TM-BATAN Yogyakara, 7-8 Agusus 00

5 M. Munawir Zulkarnain, dkk. ISSN ekanan,7 bar, selama 7 jam secara hermocyclis waku oksida 8 jam dan pendinginan jam. Gambar 4. Grafik penambah bera SS 36 hasil pengamaan dengan im-bangan mikro, yang di oksidasi dilingkungan sehingga empe-raur inggi 800 o C, ekanan,7 bar, selama 7 jam secara hermocyclis waku oksida 8 jam dan pendinginan jam. Dari Gambar, 3, dan 4 erliha bahwa implanasi nirogen akan menaikkan laju korosi.. Semakin inggi dosis implanasi semakin cepa pembenukan lapisan kerak oksida proses ini erjadi selama 6 jam. Selanjunya dioksidasi idak lagi erjadi dengan diandai idak adanya perambahan bera pada bahan bahkan cenderung erjadi pengelupasan kerak oksida, erkecuali pada bahan FeNiCr yang di Coaing Yrium dan dimplanasi pada dosis ion/cm. Sedang pada bahan lain seperi SS 304 dan SS 36 proses pengelupasan kerak oksida erjadi sanga cepa, bahkan pada SS 36 yang diimplanasi pada dosis ion/cm pengelupasan erjadi idak saja pada lapisan karakerisasi beriku marik bahannya. Sehingga bera bahan menjadi lebih rendah dari bera sebelum mengalami proses oksidasi ini erjadi seelah oksidasi selama 4 jam, dengan pendinginan 3. Dari daa d iaas diliha dari sudu pandang keahanan korosi, implanasi nirogen idak selalu menguungkan erkecuali pada dosis dibawah ion/cm aau diaas 0 7 ion/cm. Dari Gambar Coaing Yrium cukup memberi pengaruh erhadap sabilias lapisan oksigen ini berbeda dengan bahan gas idak diberi ambahan Yrium seperi erliha pada Gambar 4. Dalam peneliian ini belum dilakukan karakerisasi mikro srukur erhadap sampel, maupun proses pemben-ukan lapisan oksida jenis oksida yang selama proses oksidasi dan pengelupasan (spalasi). Dengan karakerisasi ini sebenarnya akan bisa diamai aom apa yang bereaksi dari waku kewaku sehingga erjadi penambahan bera, hal ini belum bisa penulis lakukan. Selain biayanya mahal, eruama karena idak punya peralaan sendiri, demikian juga uji kekerasan dan keahanan aus belum bisa dilakukan. KESIMPULAN DAN SARAN Dari uraian dan daa diaas, dapa disimpulkan bahwa :. Coaing Yrium akan dapa menaikan sabilias lapisan oksida.. Implanasi nirogen akan menaikkan laju korosi dan pembenukan lapisan oksida manap namun implanasi nirogen idak selalu mengunungkan erhadap keahanan erhadap serangan spalasi. 3. Unuk penyempurnaan peneliian ini masih erbuka peluang peneliian karakerisasi mikro - srukur erhadap proses oksidasi dan sifa fisis dari penambahan nirogen erhadap bahan yang di Coaing Yrium. DAFTAR PUSTAKA. H HERMAN, Modificaion of he Surface Mechanical Properies of Ferrous Alloys by Nirogen Ion Implanaion, Ion Implanaion ino Meal Procceding of he 3 rd Inernaional Conference Modificaion of Surface Propories of Meals, ( 3 6 Juni 98). P3TM-BATAN Yogyakara, 7-8 Agusus 00

6 48 ISSN M. Munawir Zulkarnain, dkk.. E. B. HALE, e. al, Effecs Of Nirogen Ion Implanaion On The Wear Properies of Seel, Ion Implanaion ino Meods Procceding of he 3 rd Inernaional Conference Modificaion of Surface Propories of Meals (3 6 Juni 98). 3. S. G ROBERTS ET AL, The Effecs of N + Ion Implaaion on he Hardnes and Wear Behavior of Briele Maerials, Ion Implaaion ino Meals Procceding of he 3 rd Inernaional Conference Modificaion of Surface Propories of Meals (3 6 Juni 98). 4. F. S PETTIT e al., Oxidaion Corrosion Erosion Mechanisme of Environmenal Degra-daion of High Temperaure Maerials, Coaing of High Temperaure Aplicaions, Applied Science Publisher. 5. M. MUNAWIR, Z UNTORO P., Penambahan Elemen Reakif Unuk Peningkaan Keahanan Korosi Temperaur Tinggi Bahan Rekayasa, Proseding Seminar Sains dan Teknologi Nuklir PPTN Bandung. (8-9 Mare 998). 6. M. MUNAWIR, CIPTO S, P.UNTORO, Pengaruh Dosis Ion Implanasi Yrium Terahadap Srukur Bahan SS 36 L Pada Energi Ion 80 KeV & 00 KeV, Proseding. Seminar Nasional Maerial dan Lingkungan Dalam Indusri (Bandung 9 Okober 998 ) 7. M.MUNAWIR, Z. CIPTO S, P.UNTORO, Opimasi Dosis Implanasi Yrium Terhadap Kekerasan Bahan Pada Paduan Ni5Cr, Proseding AAPPS Seminar. on Physics of. Maerials. (Yogya. 8-0 Desember 998.) 8. M. MUNAWIR, TJIPTO S, P. UNTORO, S. SIMBOLON, Aplikasi Implanasi Ion Unuk Peningkaan Efek Elemen Reakif dan Penga-ruhnya Terhadap Kualias Bahan, (Sipegan Lapan 997). 9. P. UNTORO, M. MUNAWIR, F. NETSHE, The Role of Reacive Elemen Effec in Seels, and Their Microsrucure invesigaion Proseding The 0 ahun Asia Pasific Corrosion Conrol Conference (Bali, Ocober, 997). Dengan imbangan mikro dalam variasi waku pada emperaur yang berubah-ubah secara eksrim. Ada model maemais laju korosi berbagai kondisi, namun seperi pada umumnya korosi suau yang kejadiannya suli dipasikan, maka model maemais ersebu hanya pendekaan. Lely Susia R.M. Mengapa nirogen menaikkan laju korosi, semenara dari beberapa acuan, juga yang pernah kami elii, nirogen jusru meningkakan kekerasan baja SS 36 L maupun SS 304. Dan dikeahui pula bahwa semakin keras bahan enunya. Mohon penjelasan. Memang benar ambahan nirogen bisa menaikkan keahanan aus dan kekerasan. Namun pada emperaur inggi nirogen sanga agresif erhadap oksigen dalam berbagai benuk senyawa N-O (NO, NO3, NO5, NO, ds) ini mempercepa laju korosi erkecuali bila difusi oksigen bisa erhamba melalui oksid puih. Trimardji Amono Tadi dijelaskan bahwa ujuan polishing adalah agar bagus/mengkilap. Apakah hanya ini ujuannya aau ada ujuan yang lebih pening? Yrium ermasuk golongan logam anah jarang yang harganya idak murah. Mengapa idak menggunakan bahan lain (unuk coaing) yang lebih murah diinjau dari segi ekonomis. Tujuannya menyempurnakan proses reamen. Proses penambahan unsur harus selalu dikaikan ujuannya. Yrium aau elemen reakif lain sanga cocok unuk penanganan korosi emperaur inggi. Belum dicoba bahan lain. TANYA JAWAB Anwar Budiano Apa meode yang digunakan dalam menenukan ingka korosi lapisan oksida ersebu? Apa ada parameer suhu dan waku? Apakah ada modelisasi ingka korosi suau bahan erhadap lingkungan (asam, basa, redukor, oksidaor)? Yunano Pada kondisi erenu dapa menaikkan sabilias lapisan kerak. Kondisi ini berapa dosis dan enaga io n. Apa pada kondisi ini erjadi senyawa anara Yrium dan nirogen. P3TM-BATAN Yogyakara, 7-8 Agusus 00

7 M. Munawir Zulkarnain, dkk. ISSN Kondisi erbaik seelah di coaing adalah dosis 0 7 ion/cm ion/cm. Namun anpa coaing Yrium semua kondisi kurang baik. Terus erang benuk senyawa korosinya belum kami elii, mohon maaf belum bisa dijawab. P3TM-BATAN Yogyakara, 7-8 Agusus 00