PENGARUH IMPLANTASI ION KROM TERHADAP KETAHANAN LELAH BAJA KARBON RENDAH

Transkripsi

1 Pengaruh Implantasi Ion Krom Terhadap Ketahanan Lelah Baja Karbon Rendah (ZulJlanij) PENGARUH IMPLANTASI ION KROM TERHADAP KETAHANAN LELAH BAJA KARBON RENDAH Zulhanif1, Mudjijana2 dad Tjipto Suyitno3 I Jurusan Teknik Mesin, FT -UNllA n. Prof. dr. Soemantri Brojonegoro No.1, Gedung Meneng, Bandar Lampung 2Jurusan Teknik Mesin, FT -UGM JI. Grafika 2, Yogyakarta Jpusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Maju (P3TM) -BATAN, JI. Babarsari, Kotak Pas : 8 Yogyakarta 5500 ABSTRAK PENGARUH IMPLANTASI ION KROM TERHADAP KETAHANAN LELAH BAJA KARBON RENDAH. Telah dilakukan penelitian pengaruh implantasi ion krom terhadap ketahanan lelah baja karbon rendah. Bahan dari baja karbon rendah dengan diameter 16 mm, dibuat benda uji lelah menurut standar ASTM E 466. Proses implantasi ion dilakukan variabel dosis dan energi ion menggunakan akselerator ion jenis Cockr;oft Walton. Pengujian ketahanan lelah dilakukan dengan mesin rotary bending pacta benda uji tanpa implantasi dan yang diimplantasi pacta kondisi suhu kamar, suhu 250 C, dan di annealing. Sebagai tambahan dilakukan pengujian sifat fisik dan mekanik seperti kekerasan, kekasaran permukaan, bentuk permukaan patahan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa proses chromizing dengan implantasi ion krom mengubah kekerasan, kekasaran permukaan dan ketahanan lelah baja karbon rendah menjadi lebih baik. Angka kekerasan optimum dicapai pacta dosis 5,234xl015 ion/cm2 dan energi 80 key yaitu sekitar 305 VHN 0,01 sedangkan kekerasan awal adalah sekitar 206 VHN 0,01, artinya terjadi peningkatan kekerasan sekitar 50%. Strukturmikro lapisan yang dihasilkan tampak lebih kecil dari rase induknya dan kekasaran permukaan lebih halus. Implantasi ion krom pacta suhu kamar meningkatkan ketahanan lelah 7,1 %, dan pacta suhu 250 C menurunkan ketahanan lelah 6,6 %, dan pacta kondisi annealing tidak banyak pengaruhnya. Kala kunci : Chromizing, implantasi ion, ketahanan lelah ABSTRACT THE INFLUENCE OF CHROMIUM ION IMPLANTATION ON THE FATIGUE RESISTANCE OF LOW CARBON STEEL The effect of chromium ion implantation on the tatigue resistance of low carbon steel has been investigated. The 16 mm diameters low carbon steel is used as fatigue specimen according to ASTM E 466 standard. The ion implantation process is done at dose and ion energy to obtain optimum hardness using a Cockroft Walton ion accelerator. Using rotary bending machine toward the unimplantation testing material and the implantation one at room temperature, 250 DC, and annealing conditions were carried out fatigue resistance testing. As support testing, had been tested physical and mechanical properties that consists of the testing of micro hardness, surface roughness, micro and macro observation. The research resulted that chromizing process, which use chromium ion implantation, has changed the hardness, surface roughness, and fatigue resistance of the low carbon steel become better. Optimum hardness reached at the dose of x 1015 ionlcm2 and energy 80 key is approximately at 305 VHN 0.01, compare with the first hardness that is approximately at 206 VHN So, it was up about 50%. The microstructure of the produced coat is seen denser than the former phase, and the surface roughness is more smooth. The chromium ion implantation on law carbon steel can increase on fatigue resistance at room temperature of 7.1%, can decrease on fatigue resistance at 250 DC of 6.6 %, and is uneffected on the annealing condition. Key words: Chromizing, ion implantation, fatigue resistance PENDAHULUAN Dalam penggunaan bahan untuk peralatan pemesinan dipilih bahan dengan biaya pembuatannya relatif murah dan mempunyai sifat fisik dan mekanik baik. Sifat fisik dan mekanik dari baja karbon sangat ditentukan oleh unsur kandungannya. Chromium merupakan salah satu unsur yang banyak dipakai untuk pelapisan permukaan logam, di mana penambahan chromium pada permukan logam dapat memperbaiki sifat fisik dad mekanik permukaan logam. Logam yang dilapisi chromium lebih tahan korosi dan lebih tahan aus [1]. Pelapisan permukaan logam dengan chromium biasanya dipakai dengan metode electro plating ataupun pack cementation. Pacta metoda pack cementation dilakukan pacta suhu yang re1atif tinggi. Proses tersebut sangat memungkinkan terjadinya thermal stresc'i dan pembesaran ukuran butir bahan. Hal ini dapat

2 Prosiding Pertemuan llmiah llmu Pengetahuan don Teknologi Bahan 2002 Serpong, Oktober 2002 ISSN menurunkan kekuatan lelah bahan tersebut. Implantasi ion merupakan salah satu jenis perlakuan yang dilakukan pada permukaan logam yang bertujuan memperbaiki sifat-sifat permukaan logam tersebut. Kelebihan dati teknik implantasi ion diantaranya adalah proses dapat dilakukan dalam waktu yang relatif cepat, tidak menyebabkan terjadinya thermal stress, karena proses pengeijaan dilakukan pada suhu kamar [2]. Selama proses implantasi, ion-ion dopan ditembakkan ke bahan target, sehingga ion-ion dopan akan kehilangan energi dad akhirnya berhenti pada jarak tertentu dati permukaan target [3]. Penelitian ini bertujuan menyelidiki pengaruh irnplantasi ion krom terhadap ketahanan lelah baja karbon rendah.. Lelah (fatigue) menumt ASM (1975) didefinisikan sebagai proses perubahan struktur permanen progre.s.ive /oca/izedbahan yang berada pada kondisi yang menghasilkan fluktuasi regangan dad tegangan di bawah kekuatan tariknya, pada satu titik atau banyak titik yang dapat bermuara menjadi retakan (crack) atau patahan (fracture). Hotta et al. [4] meneliti pengaruh kombinasi teknik pelapisan terhadap ketahanan lelah baja karbon rendah. Hasil penelitian menunjukkan : ( 1). kekuatan lelah ditentukan oleh kekuatan patah dari logam dasar dad tergantung tegangan sisa lapisan permukaan, (2) pelapisan dengan chromium plating menumnkan kekuatan lelah. Pengujian lelah dilakukan dengan mesinrotary bending. Jika benda uji diputar dan diberi beban, maka akan terjadi momen lentur pada benda uji. Momen lentur ini menyebabkan terjadinya tegangan lentur pada permukaan benda uji dad besarnya dihitung dengan persamaan [5]. a= WL/2 ;l32d3kg / cm; diimplantasi dan diimplantasi pada kondisi kekerasan optimum diuji lelah menggunakan mesin Rota,:y bending dengan variasi pada suhu kamal, 250 C, dan di annealing. "4nnealing dilakukan pada suhu 900 C dan ditahan selama 30 menit. Tabell. Komposisi unsur bahan uji (% berat) Unsur {, % (berat) 99,15 0,065 0,362 0,012 0,021 0,069 0,107 0,081 g'.n9 : Unsur Gambar 1. Benda \lji lelah (fatigue) BASIL DAN PEMBABASAN Basil Pengujian Strukturmikro % (berat) 0,004 0,001 0,039 0,011 0,008 Hasil uji strnkturmikro terlihat pada Gambar 2 dan Gambar 3. dengan, 0- W d = Tegangan lentur ( kg/mm2 ) = Beban lentur (kg.mm) = Diameter benda uji (mm) TATAKERJA Delapan benda uji dengan komposisi un sur disajikan pada Tabel 1 berdiameter 16 mm dan tebal 10 rom diimplantasi dengan ion krom menggunakan akselerator ion jenis Cockroft Walton dengan 4 variasi energi dan dosis (waktu), kemudian dilakukan uji kekerasan mikro ckers dengan beban 10 grf. Benda uji pada permukaan dan penampang melintang sebelum dan setelah diimplantasi pada kondisi kekerasan optimum diamati strukturmikronya. Disamping itu sebanyak 3 benda uji sebelum dan sesudah diimplantasi ion krom pada kondisi kekerasan optimum diuji kekasaran permukaannya. Tujuh puluh dua benda uji lelah (Gambar 1) menurut standar ASTM E 466 tanpa (b) Gambar 2. (a) Strukturmikro benda uji sebelum diimplantasi, (b) Strukturmikro benda uji setelah proses implantasi dengan kekerasan 305 VHN 0,1.

3 Pengaruh Implantasi Ion Krom Terhadap Ketahanan Lelah Baja Karbon Rendah (Zulhanif) Strukturmikro bahan uji setelah diimplantasi ion krom terlihat mengalami pembahaan, tampak stmktur pada Gambar 3 menjadi lebih kecil dad timbulnya rasa ham. Fasa ini dimungkinkan FeCr yang mempakan senyawa ion chromium yang ditembakkan dengan ion besi. mengeser atqm-atom Fe dan mensubstitusi sampai kepadatan atom mencapai kekerasan maksimum. Peningkatan dosis selanjutnya akan menurunkan nilai kekerasan permukaan karena terjadi kekosongan atomatom Fe atau atom yang ditembakkan masuk lebih jauh dari permukaan. Ion yang ditembakkan akan membentuk lapisan amorf pada permukaan target [7]. Gombar 3. Bentuk strukturmikro benda uji pada penampang melintang yang mempunyai 305 VHN 0,01 Pengaruh implantasi ion krom pada penampang melintang benda uji tampak bahwa dipermukaan benda mempunyai struktunnikro lebih halus dibanding dengan di bagian dalam. Ion krom yang masuk ke permukaan benda uji dapat secara subsitusi karena jari-jari ion krorn 0,063 nm danjari-jari ion besi 0,074 urn. Basil Pengujian Kekasaran Pennukaan Hasil pengujian kekasaran perrnukaan disajikan pada Tabel " z :I:?. I: tu II) tu Qj QJ Basil Pengujian Lelah Dari basil pengujian lelah yang dilakukan terhadap benda uji didapatkan data dalam bentuk grafik S- N. Pengujian lelah dilakukan pada 3 kondisi pengujian yaitu: a. Pengujian pada suhu kamar b. Pengujian pada suhu 250 C c. Pengujian setelah bahan uji dilakukan proses annealing Ketiga kondisi diatas dibedakan antara sebelum diimplantasi ion dengan sesudah diimplantasi ion. Hasil kekasaran pefi11ukaan menunjukkan bahwa setelah proses implantasi ion krom tingkat kekasaran permukaannya lebih halus. Hal ini disebabkan pefi11ukaan benda uji yang ditembak dengan ion krom mempunyai stmktum1ikro menjadi lebih halus sehingga memperhalus pefi11ukaan logam. Basil Pengujian Kekerasan Hasil pengujian kekerasan untuk bahan dasar diperoleh harga kekerasan rata-rata sebesar 206 VHN 0,01. Hasil pengujian kekerasan setelah dilakukan proses implantasi ion krom untuk mendapatkan kekerasan optimum dimnjukkan pada Gambar 4. Hasil pengujian kekerasan menunjukkan bahwa kekerasan optimum terjadi pada kondisi penembakan ion krom dengan energi 80 key selama waktu 70 menit. Kekerasan yang didapatkan pada kondisi tersebut adalah 305 VHN 0,01, meningkat sebesar 50 % dati kekerasan awal bahan dasar. Semakin tinggi dosis ion krom (semakin lamanya waktu implantasi) cacat -cacat kristal yang terbentuk akan semakin banyak[6]. Ion-ion yang ditembakkan (Cr) Slklus (N).Non impiantasi temperanlr kamar a Non impiantasi Suhll 250 A Non impiantasi dianeajing a Diimpiantasi temper an" 250 'c.diimpiantasi suhu kamar 0 Diimpiantasi aneajijlg Gambar 5. Kurva SoN pengujian lelah Dan grafik basil pengujian lelah dapat diamati terjadi penurunan ketahanan lelah untuk benda uji yang diannealing. Hal ini sangat dimungkinkan terjadi, karena setelah proses annealing, bahan mengalami pelunakan. Tujuan perlakuan annaling pacta bahan dasar dalam pengujian ini adalah mengurangi tegangan sisa pacta bahan dad mengetahui pengaruhnya terhadap ketahanan lelah bahan tersebut. 107

4 Prosiding Pertemuan llmiah llmu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2002 Serpong, Oktober 2002 ISSN Kurva yang didapatkan untuk benda uji yang mengalami proses annealing lebih mulus, jangkauan pembebanan yang dilakukan lebih kecil. Pacta perbedaan pembebanan yang kecil sudah dapat dihasilkan perbedaan siklus lelah yang besar. Pengujian pacta suhu 250 C terlihat kurva lebih bergeser kearah atas, hal ini berarti terjadi peningkatan ketahanan lelah. Kondisi ini dipilih karena menurut teori ketahanan lelah rnaksimum untuk baja lunak adalah pacta suhu400 Of sampai dengan 600 Of (200 C- 325 C) [8]. Pacta suhu kamar terjadi peningkatan ketahanan lelah sebesar 7, I %. Hal ini terjadi karena setelah benda uji mengalami proses implantasi ion krom terjadi penambahan tegangan sisa pacta permukaan benda uji. Pacta benda uji yang mengalami proses annealing sebelumnya tidak tampak perubahan ketahanan lelah yang cukup berarti, hanya terjadi sedikit peningkatan pacta siklus yang rendah. Pengujian pacta suhu 250 C ketahanan lelah benda uji mengalami sedikit penurunan yaitu sebesar 6,6, %. Hal ini dimungkinkan terbentuk rasa barn (FeCr) setelah proses implantasi ion krom yang akan menurunkan kekuatan tarik [9] dan akan menurunkan pula kekuatan lelahnya, dan pacta kodisi suhu ini terjadi proses tempering yang menurunkan kekuatan bahan. Basil Pengujian Fotomakro Dan Patahan Benda Uji di pennukaan benda uji tidak sebesarpada sobekan pada bahan dasar. lni menunjukkan bahwa implantasi ion chromium dapat menurunkan keuletan baja di pennukaan. Pengujian pada suhu 250 C, bentuk patahan yang berupa garis-garis slip (striations) pada permukaan terlihat lebihjelas. Hal ini disebabkan pengujian pada suhu 250 C bahan uji menjadi ulet yang akan memperjelas garis-garis slipnya. Pengujian pada kondisi proses annealing bentuk patahan lebih tidak teratur, hat ini disebabkan bahan baja karbon rendah setelah diploses annealing menjadi lebih ulet. Fino/fai/ure Retak owo! Fino/fai/ure (a) (b) (c) Gambar 7. Bentuk patahan setelah proses implantasi ion, (a). Pengujian pada suhu kamar, (b).pengujian pada suhu 250 DC, (c). Pengujian setelah benda dilakukan proses annealing Bentuk patahan benda uji ditunjukkan pada Gambar 6 dan Gambar 7 : KESIMPULAN Fina/fa;/ure R.tak awal (a) (b) Retak awa! Gambar 6. Bentuk patahan sebelum proses implantasi ion, (a) Pengujian pada suhu kamar, (b).pengujian pada suhu 250.C, (c) Pengujian setelah benda dilakukan proses annealing Retak awal dimulai pada suatu titik dipennukaan benda uji, yang kemudian merambat dan akhimya patah pada titik yang bertolak belakang dengan titik dimana retak awal dimulai. Dilihat dati bentuk patahan, bahan uji pada penelitian ini tergolong jenis baja lunak dad ulet. lni terlihat dati sobekan benda uji yang begitu besar. Disamping itu, adanya garis-garis slip (striations), yang ditunjukkan oleh bidang lebih gelap yang lebih besar dengan luas bidang terang (mengkilap) menunjukkan bahwa benda uji patah pada tegangan nominal yang rendah. Agak berbeda dengan bentuk patahan bahan yang diimplantasi dengan chromium (Garnbar 7), sobekan Dan basil penelitian dan pembahasan dapat disimpulkan : 1. Kekerasanawalbahan dasar 206 VHN 0,01 menjadi 305 VHN 0,01 setelah diimplantasi ion krom pada energi 80 key dan waktu 70 menit (5,234 x 1015 ion/cm2), peningkatan kekerasan permukaan baja karbon rendah sekitar 50 %. 2. Angka kekasaran permukaan baja dari Ra = 0,11 menjadi Ra = 0,08 3. Pada pengujian suhu kamar terjadi sedikit peningkatan ketahanan lelah baja karbon rendah 7,1 %, pada pengujian pada suhu 250 C terjadi penurunanketahanan lelah 6,6 % dan pada kondisi annealing tidak banyak pengaruhnya. UCAPAN TERIMA KASm Ucapan terima kasih khususnya kepada Departemen Pendidikan Nasional Ditjen DIKTI yang telah memberikan bantuan dana penelitian melalui proyek EEDP

5 [7]. Pengaruh Implantasi Ion Krom Terhadap Ketahanan Lelah Baja Karbon Rendah (ZuUlanif) DAFTARPUSTAKA [1]. POLUKHIN, P., GRINBERG, B., KATENIK, S., ZHADAN, Y, V ASILYEV, D.,Metal Proces.\' Engineering, Fourth Printing, Mir Publisher, Moscow (1977) [2]. ASHWORTH, V., GRANT, W.A., PROCTER, R.P.M., Ion Implantation into Metal, Pergamon Press, New York (1982) [3J. D EARNALEY; G., FREE[\.1AN,H.H, NELSON.,R S., and STEPHEN, J. Ion Implantation. North Holland publishing Company Co. New York [4]. HOTTA, S., SARUKI,K., and ARAI, T., Endurance Limit of Thin hard-coated Steels in bending Fatigue, Surface and Coating Techology, 70, (1994) [5]. International For Use of ONO 'S, High Suhue Rotating Bending Fatigue Testing Machine, Model H6 [6]. HERMAN, H., Modification of The Surface Mechanical Properties of Ferrous Alloys by Nitrogen Ion Implantation, Ion Implantation Into Metals, Ed. Ashwortth, V., Grant, W.A., dan Procter, R.P.M., Pergamon Press Ltd., New York, [8]. [9] (1982) KRAUSS, G., Priciples of Heat Treatment of Steel, AMAX Foundation Professor, Department of Metallurgical Engineering, Colorado School of Mines. (1980) DIETER, GEORGE E., Metalurgi Mekanik, Jilid I, edisi ketiga, alih bahasa oleh Sriati Djaprie, Erlangga, Jakarta (1987) SURDIA, T., SAITO, S., Pengetahuan Bahan Teknik, Pradnya Paramita, Jakarta (1985)