Studi Surface Hardening pada Bahan Roda Gigi Buatan Indonesia dengan Menggunakan DC-Plasma Nitrocarburizing

Transkripsi

1 T.P. Nurhadi - Studi Surface Harderning pada Bahan Roda Gigi Buatan Indonesia dengan Menggunakan.. 53 Studi Surface Hardening pada Bahan Roda Gigi Buatan Indonesia dengan Menggunakan DC-Plasma Nitrocarburizing (masuk/received 17 Juli 2017, diterima/accepted 28 Juli 2017)s Study of Surface Hardening on Gear Material Made in Indonesia Using DC-Plasma Nitrocarburizing T.P. Nurhadi 1, Usman Sudjadi 2, Suprapto 3, Siti Chotijah 4 1 P.T. Gaya Makmur Mobil, Cengkareng, Jakarta Barat 2 PusatTeknologi Bahan Bakar Nuklir-BATAN, Tangerang Selatan 3 Pusat Sains dan Teknologi Akselerator-BATAN, Yogyakarta 4 Dinas Pendidikan dan Kebudayaan, Tasikmadu, Karanganyar, Jawa Tengah umardjasipan@gmail.com Abstrak Material roda gigi buatan lokal Indonesia telah diteliti dan ditingkatkan kualitasnya dengan menggunakan alat DC-Plasma Nitrocarburizing buatan BATAN, Yogyakarta. Penelitian ini menggunakan waktu perlakuan yang bervariasi 1-5 jam dengan pemanasan 400 C. Pengujian kekerasan dilakukan dengan menggunakan alat uji kekerasan Vicker, sedangkan pengamatan struktur mikro dilakukan dengan alat SEM dan EDS. Hasilnya menunjukkan bahwa kekerasan sampel awal adalah 177,88 HV, sedangkan sampel lokal yang dinitrocarburizing pada 400 C selama 5 jam, kekerasannya adalah 328,96 HV. Hal ini sudah melebihi kekerasan material roda gigibuatan Jepang, yaitu 317,54 HV. Kata kunci: pengerasan permukaan, roda gigi, buatan Indonesia, DC-Plasma nitrocarburizing Abstract Material gears locally made in Indonesia has been investigated and improved by using a DC-Plasma Nitrocarburizing at BATAN, Yogyakarta. This study uses the variations of treatment time 1-5 hours and by heating to 400 C. Hardness testing was done using Vicker`s hardness tester, while the microstructure observation was performed using SEM and EDS. The results show that the hardness of the initial sampel was HV, while local sampel after nitrocarburizing at 400 C for 5 hours, the hardness was HV. This already exceeds the material hardness gear made in Japan, namely = HV. Keywords: surface harderning, gear, made in Indonesia, DC-Plasma nitrocarburizing I. PENDAHULUAN Telah diketahui bahwa fungsi kerja roda gigi selalu bergesekan satu sama lain, oleh karena itu permukaan roda gigi harus mempunyai sifat yang tahan aus. Kalau tidak material roda gigi akan mengalami gompel atau rusak, berarti kualitasnya sangat rendah [1]. Agar permukaan roda gigi tahan keausan, maka permukanannya harus dikeraskan. Suatu material jika permukannya jika ditingkatkan kekerasannya pasti material tersebut akan bertambah ketahanan ausnya [2]. Penelitian ini memakai alat DC-Plasma Nitrocarburizing buatan PSTA-BATAN (Pusat Sain dan Teknologi Akselerator - Badan Tenaga Nuklir Nasional) di Yogyakarta. Kegunaan alat DC-Plasma Nitrocarburizing yang dibuat adalah untuk mengeraskan permukaan material pada seluruh komponen elemen mesin yang memerlukan ketahanan aus karena pada permukaan selalu bergesekan dengan komponen elemen mesin yang lain seperti bearing, poros, gear, piston, rel dan roda kereta api, dan lain-lain. Alat ini dapat juga digunakan untuk mengeraskan permukaan komponen-komponen fasilitas nuklir misalnya gerak lifting device limbah dari hotcell 101 ke 102, plunger pada pneumatic/hydraulic system, material dari hydraulic system, manipulator di hotcell dan lain sebagainya. Selain itu dapat juga untuk mengeraskan seluruh permukaan komponen dan meningkatkan ketahanan korosinya di industri penerbangan dan perkapalan [3]. Teknologi pengerasan permukaan (surface hardening) pada bahan telah dilakukan oleh beberapa peneliti dengan mempergunakan beberapa teknologi [4-5]. Teknologi tersebut melingkupi plasma nitriding dan nitrocarburizing, plasma immersion implantation, ECR ion nitriding, RF-plasma nitriding dan nitrocarburizing, low pressure plasma assisted nitriding dan high current density ion beam nitriding [1-10]. Di Indonesia telah dibuat beberapa alat plasma nitriding seperti DC plasma nitriding (temperatur maksimum hanya 500 C). Alat nitrocarburizing temperatur tinggi yang telah dikembangkan di PSTA- BATAN, Yogyakarta, adalah DC- dan RF-plasma nitrocarburizing. Seperti diketahui bahwa material roda gigi adalah material yang banyak juga dipakai di instalasi fasilitas nuklir, instalasi pengeboran minyak, pemipaan, bearing, piston, rel kereta api, beberapa komponen elemen mesin, pada alat transportasi dan lain-lain [5]. Pada studi ini dilaporkan hasil penelitian surface hardening pada bahan roda gigi lokal pada temperatur 400 C selama 1-5 jam dengan menggunakan alat DCplasma nitrocarburizing.

2 54 T.P. Nurhadi - Studi Surface Harderning pada Bahan Roda Gigi Buatan Indonesia dengan Menggunakan.. II. METODE PENELITIAN/EKSPERIMEN Material yang akan diteliti dipotong menjadi 6 sampel dengan menggunakan mesin potong. Penandaan diberikan pada setiap sampel sesuai dengan waktu proses nitrocarburizing. Penandaan terdiri dari awal, A, B, C, D, dan E, yang menyatakan waktu pada proses nitrocarburizing yaitu 1 jam, 2 jam, 3 jam, 4 jam, dan 5 jam. Temperatur proses nitrocarburizing pada sampel A sampai E adalah 400 C. Penandaan sampel ini akan sangat berguna dan memudahkan peneliti dalam membedakan sampel pasca treatment. Sampel Jepang dan sampel lokal awal tak mengalami proses nitrocarburizing, untuk studi banding. Pengamatan struktur mikro dan kedalaman nitrocarburizing dilakukan dengan optical microscope dan SEM (Scanning Electron Microscope). Pengujian komposisi kimia di dalam matriks menggunakan EDS (Energy Dispersive Spectroscopy). Pengujian kekerasan dengan menggunakan alat uji kekerasan Vickers. Gambar 1 menggambarkan aliran penelitian yang dilakukan. Gambar 2 merupakan peralatan nitrocarburizing. Gambar 1. Diagram alir penelitian. Proses nitrocarburizing adalah perlakuan termokimia yang melibatkan penambahan unsur nitrogen dan karbon dengan cara difusi. Biasanya terhadap permukaan material ferrous, pada suatu temperatur tertentu di mana telah terbentuk fase ferrite secara lengkap. Oleh karena itu tujuan dari proses nitrocarburizing pada steinless steel 304 adalah untuk memasukkan unsur nitrogen dan karbon ke dalam permukaan SS 304. Tujuan utama dari perlakuan ini adalah untuk meningkatkan karakteristik anti gores dari komponen-komponen teknik, dengan cara menambahkan suatu senyawa pada permukaannya, sehingga permukaan itu memiliki sifat ketahanan keausan atau ketahanan gesekan. Nitrocarburizing dilakukan pada banyak komponen teknik seperti textile machinery gears, pump cylinder blocks, nozzles, dan lain-lain di mana diperlukan sifat tahan aus, sedangkan pada crank-shaft dilakukan proses nitrocarburizing untuk meningkatkan sifat anti kelelahan.

3 T.P. Nurhadi - Studi Surface Harderning pada Bahan Roda Gigi Buatan Indonesia dengan Menggunakan.. 55 mikronya menggunakan alat Hardness Vickers dan diamati struktur mikro dan komposisi kimianya menggunakan SEM/Optical Microscope dan EDS. III. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Uji Kekerasan Gambar 2. Mesin DC-Plasma Nitrocarburizing. Setelah dilakukan treatment surface harderning nitrocarburizing sesuai parameter yang telah ditentukan, maka perlu dilakukan pendinginan sampel dengan cara didiamkan dengan suhu ruang (quenching). Setelah sampel dinitrocarburizing, sampel diuji kekerasan- Tabel 1 merupakan perhitungan penjejakan dan Tabel 2 data hasil dari uji kekerasan. Uji kekerasan yang dipakai adalah uji kekerasan Vickers (HV) menggunakan alat Microhardness Tester. Hasil dari uji kekerasan ini adalah hasil uji dari sampel awal dan sampel-sampel setelah mengalami proses nitrocarburizing pada temperatur 400 C dengan waktu perlakuan 1 jam, 2 jam, 3 jam, 4 jam, dan 5 jam. Pengujian dilakukan dengan dengan beban penjejakan 25 gf dan waktu penjejakan 5 detik. Tabel 1. Diagonal Penjejakan. Sampel Titik 1 (µm) Titik 2 (µm) Titik 3 (µm) Titik 4 (µm) Titik 5 (µm) d 1 d 2 d 1 d 2 d 1 d 2 d 1 d 2 d 1 d 2 Awal 14,26 14,32 17,12 17,16 16,75 16,81 16,34 16,38 16,65 16,69 Jepang 12,82 12,78 11,31 11,35 11,65 11,69 11,81 11,79 13,06 13,10 A (1 jam) 16,05 16,07 15,37 15,41 15,78 15,76 15,91 15,95 15,59 15,57 B (2 jam) 14,63 14,57 14,77 14,77 15,75 15,81 16,38 16,36 15,47 15,45 C (3 jam) 12,44 12,40 13,05 13,11 13,21 13,19 12,46 12,42 12,68 12,62 D (4 jam) 12,03 11,09 12,26 12,28 12,44 12,44 11,99 11,93 12,20 12,24 E (5 jam) 11,94 11,98 12,20 12,22 11,67 11,63 11,65 11,61 11,91 11,95 Diagonal (d) yang digunakan dalam perhitungan adalah rata-rata diagonal yang diukur terhadap diagonal horisontal dan diagonal vertikal pada masing-masing titik. Tabel 2. Kekerasan HVN. Sampel HV HV HV HV HV HV Titik 1 Titik 2 Titik 3 Titik 4 Titik 5 Rata-rata Awal 227,1 158,8 164,6 173,2 166,7 177,88 Jepang 283,1 360,8 340,1 332,6 271,1 317,54 A (1 jam) 179,8 195,6 186,4 182,7 190,9 187,08 B (2 jam) 217,3 212,5 186,1 172,9 194,0 196,56 C (3 jam) 300,7 271,1 266,2 299,5 289,5 285,40 D (4 jam) 321,5 307,8 299,6 324,1 310,5 312,70 E (5 jam) 324,1 310,8 341,6 342,8 325,5 328,96 Gambar 3. Grafik performa kekerasan sampel awal, Jepang dan E. Dari Tabel 2 terlihat sampel A,B,C,D, dan E mengalami kenaikan kekerasan (HV) rata-rata yang proporsional terhadap waktu treatment surface harderning sesuai parameter yang digunakan. Bahkan pada sampel E mampu melampaui kekerasan rata-rata sampel produk Jepang seperti ditunjukkan pada Gambar 3. Kekerasan rata-rata sampel E dengan waktu 5 jam adalah sebesar 328,96 kgf/mm 2, dan untuk kekerasan rata-rata produk Jepang sebagai pembanding adalah sebesar 317,54 kg/mm 2.

4 56 T.P. Nurhadi - Studi Surface Harderning pada Bahan Roda Gigi Buatan Indonesia dengan Menggunakan.. Hasil Uji Scanning Electron Microscope (SEM) Pengamatan struktur mikro dilakukan dengan Scanning Electron Microscope, kemudian hasil struktur micro di foto dengan pembesaran 3000 kali setelah mengalami proses nitrocarburizing pada suhu 400 C dengan waktu 1 jam, 2 jam, 3 jam, 4 jam, dan 5 jam. Hasil pengamatan ini dapat di lihat pada Gambar 4. Pada penampakan struktur mikro pada sampel A dengan perbesaran 3000 kali didapatkan struktur mikro material yang memiliki matriks terdiri dari ferrite, austenite, dan perlite. Ferrite ditandai dengan warna gelap, dan memiliki tingkat kekerasan rendah. Austenite yang ditandai dengan warna terang (putih) dan memiliki tingkat kekerasan tinggi, serta perlite yang ditandai dengan warna kecoklatan dan memiliki tingkat kekerasan yang sedang. Posisi ferrite, austenite, dan perlite tampak seperti pada Gambar 4a. Pada gambar tersebut permukan ferrite dan perlite lebih mendominasi dibanding austenite. Pada penampang struktur mikro pada sampel B seperti terlihat pada Gambar 4b matriks yang terlihat adalah ferrite, austenite, dan perlite. Secara keseluruhan masih didominasi oleh perlite, meskipun perlite masih perlu diuji secara pasti dengan alat SEM untuk mendapatkan hasil mikrostruktur yang lebih jelas. Matriks yang terbentuk pada pada sampel C bagian permukaannya didominasi oleh austenite seperti yang terlihat pada Gambar 4c, menunjukkan bahwa permukaan material tersebut semakin keras seiring lamanya waktu treatment nitrocarburizing. Penampakan struktur mikro sampel D pada Gambar 4d, menunjukkan bahwa semakin sedikit matriks ferrite dan perlite, sehingga semakin tinggi nilai HV yang diperoleh. Semakin banyaknya matriks austenite yang terbentuk semakin keras permukaannya. (a) (b) (c) (d) Gambar 4. Penampang struktur mikro sampel (a) A, (b) B, (c) C, (d) D, (e) E dengan perbesaran 3000 kali. Matriks yang terbentuk dari sampel E seperti terlihat pada Gambar 4e mengalami treatment nitrocarburizing selama 5 jam, menunjukkan bahwa matriks yang terbentuk semakin banyak austenite dan terlihat lebih homogen dari struktur sebelumnya yang lebih didominasi perlite. Hal inilah yang menyebabkan tingkat kekerasan pada sampel E memiliki nilai HV yang tertinggi. Hasil Uji Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) (e) Gambar 5 menunjukkan posisi pengujian EDS pada sampel A. Pengujian dilakukan pada surface layer dan base material. Hasil yang diperoleh digunakan untuk komparasi konsentrasi komposisi kimia pada surface layer dan base material. Konsentrasi atom karbon (C) pada lapisan permukaan meningkat bila dibandingkan dengan konsentrasi karbon (C) pada base material. Hal ini membuktikan bahwa perlakuan pengerasan permukaan menggunakan metode plasma nitrocarburizing mampu mendifusikan atom karbon di permukaan sampel A sampai sampel E sehingga kekerasan pada permukaannya meningkat. Gambar 5. Penampang penempatan posisi pengujian EDS untuk sampel A. Dari hasil pengujian kekerasan, pengamatan struktur mikro dan grafik analisis komposisi kimia berdasarkan jumlah yang dapat diukur dan dihitung, plasma nitrocarburizing dengan waktu 1 jam, 2 jam, 3 jam, 4 jam, dan 5 jam dengan temperatur suhu 400 C, terlihat bahwa pengaruh waktu mempengaruhi jumlah konsentrasi karbon

5 T.P. Nurhadi - Studi Surface Harderning pada Bahan Roda Gigi Buatan Indonesia dengan Menggunakan.. 57 yang berdifusi ataupun terdeposisi pada permukaan spesimen uji material roda gigi, dan matriks austenite yang terbentuk semakin banyak dan semakin homogen sehingga semakin besar tingkat kekerasannya. Hal ini sesuai hukum Fick bahwa laju konsentrasi atom-atom karbon ke dalam material proposional dengan gradien konsentrasi dan koefisien difusi. Ketebalan konsentrasi atom karbon yang terdifusi ke dalam material proposional terhadap akar koefisien difusi kali waktu, sedangkan kofisien difusi proposional terhadap koefisien difusi awal kali eksponensial aktivasi energi dibagi konstanta Boltzmann kali temperatur. Dari grafik komposisi kimia di surface material (Gambar 6 dan 7), konsentrasi karbon pada waktu 1 jam adalah 10,3% (Gambar 6), sedangkan pada waktu 5 jam adalah 12,1% (Gambar7). Hal itu menunjukkan adanya kenaikan konsentrasi atom karbon, jika waktu proses nirocarburizing dinaikkan. IV. KESIMPULAN Material roda gigi buatan lokal Indonesia telah diteliti dan ditingkatkan kualitasnya dengan menggunakan alat DC plasma nitrocarburizing buatan BATAN, Yogyakarta. Penelitian ini menggunakan waktu treatment yang beravariasi 1-5 jam dan dengan pemanasan 400 C. Pengujian kekerasan dengan menggunakan alat uji kekerasan Vickers, sedangkan pengamatan struktur mikro menggunakan alat SEM dan EDS. Hasilnya menunjukkan bahwa kekerasan sampel awal adalah 177,88 HV, sedangkan sampel lokal yang dinitrocarburizing pada temperatur 400 C, selama 5 jam, kekerasannya adalah 328,96 HV. Hal ini sudah melebihi kekerasan material roda gigi buatan Jepang yaitu 317,54 HV. Jadi jika roda gigi buatan Indonesia, ingin kualitasnya sama dengan kualitas produk Jepang, maka harus diperkeras permukaannya, dengan menggunakan alat buatan Indonesia sendiri yaitu DC plasma nitrocarburizing pada temperatur 400 C, selama 5 jam. Karena roda gigi adalah komponen elemen mesin yang selalu mengalami gesekan, selama dia digunakan, supaya tidak gompel atau rusak, maka permukaannya harus ditingkatkan ketahanan ausnya dengan peningkatan kekerasannya. Alat untuk mengeraskan permukaan ialah DC plasma nitrocarburizing. UCAPAN TERIMA KASIH Gambar 6. Grafik analisis kualitatif plasma nitrocarburizing selama 1 jam. Penulis mengucapkan terima kasih yang sebesarbesarnya kepada Kepala Pusat Sains dan Teknologi Askselerator (PSTA)-BATAN, Yogyakarta yaitu Bapak Dr. Susilo Widodo, kepada Bapak Drs. B.A. Tjipto Sujitno, MT, Bapak Sayono, ST, Ibu Wiwien Andriyanti, MT, dan seluruh staf di laboratorium Fisika Partikel PSTA-BATAN Yogyakarta yang telah memfasilitasi peralatan dan membantu dalam penelitian hingga terselesainya penulisan ini. PUSTAKA Gambar 7. Grafik analisis kualitatif plasma nitrocarburizing selama 5 jam. Dari grafik komposisi kimia tidak terlihat komposisi nitrogen karena perbandingan yang di gunakan adalah 3:1 di mana komposisi karbon yang lebih dominan dibanding nitrogen. Dari percobaan dapat juga dilihat bahwa setelah sampel dinitrocarburizing pada 400 C, selama 5 jam, kekerasan permukaannya menjadi 328,96 HV. Padahal kekerasan sampel awal 177,88 HV. Dengan demikian kualitas material roda gigi lokal dapat ditingkatkan sesuai dengan buatan Japan (317,54 HV), dengan cara dinitrocarburizing pada 400 C selama 5 jam. [1] S. Ben Slima, (2012). Ion and Gas Nitriding Applied to Steel Tool for Hot Work X38CrMoV5 Nitriding Type: Impact on the Wear Resistance. Materials Sciences and Applications, 3, msa [2] N. St. J. Chabert, Pascal & Braithwaite (2011). Physics of Radio-Frequency Plasmas. United Kingdom: Cambridge University Press. [3] Lars Holm, Torsten & Sproge, (tanpa tahun) Furnace Atmospheres 3 Nitriding and Nitrocarburizing, Swedia: AGA AB, S [4] Kang Imam, (2010, 12 Desember). Roda Gigi (Gear), [5] William D. Callister Junior, (2007). Materials Science and Engineering : An Introduction 7th Ed., USA:John Wiley & Sons, Inc.

6 58 T.P. Nurhadi - Studi Surface Harderning pada Bahan Roda Gigi Buatan Indonesia dengan Menggunakan.. [6] Mitsuharu Konuma, (1992). Film Deposition by Plasma Techniques. Heidelberg: Springer-Verlag [7] Kosmac, Alenka & Brussels (2015). Surface Hardening of Stainless Steels 2nd Ed., Brussels: Euro Inox [8] John R. Reitz, dkk, (1993). Dasar Teori Listrik Magnet. Bandung: ITB Press [9] R.M.L. Susita, B. Siswanto, I. Aziz, H.A. Anggraini, Sudjatmoko (2016). Effect of Nitrogen Ion Dose On the Corrosion Resistance, The Microstructure and The Phase Structure of The Biomaterial Austenitic Stainless Steel 316L. Ganendra Journal of Nuclear Science and Technology, 19, [10] Widdi Usada (2010). Perhitungan Kerapatan Ion Nitrogen Pada Pembentukan Ion FeN Dalam Proses Nitridasi, Jurnal Iptek Nuklir Ganendra, 14,