EFEK IMPLANT ASI ION KROMIUM TERHADAP LAJU OKSIDASI P ADA BAHAN BESI DAN BAJA

Transkripsi

1 Proseding Pertemuan don Presentasi l/miah P3TM-BATAN, Yogyakarta Juti 2 Buku J 13 EFEK IMPLANT ASI ION KROMIUM TERHADAP LAJU OKSIDASI P ADA BAHAN BESI DAN BAJA Lely Susita R.M., B.A. Tjipto Sujitno, Agus Santoso, Elin Nuraini PPNY-BATAN. J/. Babarsari Kotak Pas 18. Yogyakarta 551 ABSTRAK EFEK IMPLANTASI ION KROMIUM TERHADAP LAJU OKSIDASI PADA BAHAN BESI DAN BAJA. Pene/itian ini membahas tentang pengaruh imp/antasi ion kromium terhadap ketahanan oksidasi besi (Fe 95.5%) don baja (tipe A/S/ 34). Pengukuran ketahanan oksidasi di/akukan do/am media oksigen kering pada suhu tinggi dengan waktu pengamatan yang bervariasi. Untuk mengetahui ketahnan oksidasinya di/akukan analisis pengurangan / penambahan berat. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa pada Fe 95.5% yang diimp/antasi dengan ion kromium pada energi 1 kev dan dosis ion 5 x 1/7 ionlcm2 dapat meninkatkan ketahanan oksidasinya hingga 28.68%. Sedangkan pada baja tipe A1S134 yang te/ah mengandung kromium /9% justru menurunkan ketahanan oksidasinya. Hal tersebut mungkin disebabkan karena pada kandungan kromium yang lebih tinggi don temperatur yang tinggi memungkinkan nuk/easi Cr23 dan memicu pembentukan oksida spinel yang kurang protektif ABSTRACT EFFECT OF CHROMIUM ION IMPLANTATION ON THE OXIDATION RATE OF IRON AND STEEL. This research discussed about the effect of chromium ion implantation on the oxidation rate of iron (Fe 95.5%) and steel (AISI34). The measurement of oxidation resistance of the samples was carried out in dry oxygen medium at high temperature conditions and the time of!'bservation was varied. The oxidation resistance can be analyzed by the changing of weight before and after the process. The results showed that for iron materials (Fe 95.5%) implanted chromium ion at energy 1 kev and ion dose 5 x 117 ionlcm2 increase the oxidation resistance in order of 28.68%. But for AISI34 steel implanted chromium ion at the same conditions, the oxidation resistance decreased. This fenomena is caused by the fact that the content of chromium maybe already exceed the solubility of base material and it will create the posibility of the formation of oxyd spinel which less protective. PENDAHULUAN K ebanyakan bahan untuk rekayasa pada temperatur lingkungan sehari-hari ada yang sudah teroksidasi sedemikian rupa sehingga lapisan oksidasi melindungi logam di bawahnya. Adapula di udara kering bereaksi begitu lambat sehingga oksidasi tidak mendatangkan masalah. Pacta temperatur tinggi, bagaimanapun juga laju oksidasi logam-logam meningkat. Jadi jika sebuah komponen rekayasa mengalami kontak langsung dengan lingkungan bertemperatur tinggi untuk waktu yang lama, komponen tersebut mungkin menjadi tidak berguna. Proses dengan laju paling lambat pada setiap temperatur merupakan laju yang mengendalikan korosi. Pad a umumnya laju korosi akan menurun begitu selaput oksida menebal. Pertumbuhan selaput oksida bergantung pada temperatur seperti ditunjukkan pacta Gambar 1. Pad a temperatur rendah, permukaan logam akan tersalut dengan selaput oksida tipis. l.aju difusi menembus selaput ini sangat rendah clan sesudah pertumbuhan yang cepat dalam periode awal berlalu, laju penebalan akhimya menjadi nolo Dalam hal ini oksidasi berlangsung secara logaritma dengan waktu, x -In t (Fe di bawah 2 C). Ptnambahan bent!(,hlbn.." bent R.ktilWer P.,.bolik \\'.ktu Gambar 1. Pertumbuhan selaput oksida.

2 14 Buku I Proseding Perlemuan dan Presenlasi /Imiah P3TM-BATAN. Yogyakarla Jul; 2 Apabila selaput oksida tetap lekat ke permukaan dan menjadi penghalang terhadap difusi ion-ion logam atau ion-ion oksida melalui selaput tersebut, laju pertumbuhan oksida berlangsung secara parabolik dengan waktu, x2-t. Pad a pertumbuhan garis lurus atau rektalinier, laju oksidasi konstan terhadap waktu, x-to Hal ini terjadi bilamana oksida tidak mampu merintangi masuknya oksigen ke permukaan logam, karena oksida yang terbentuk dari volume logam terlalu kecil untuk menyalut seluruh permukaannya. Tegangan yang besar, baik kompresi maupun tarik mungkin timbul dalam selaput oksida dan menyebabkan efek pengelupasan ketika selaput oksida pelindung retak atau terlepas. Pengelupasan berulang pacta kerak dapat mencegah terjadinya pcrtumbuhan parabolik bcrlcbihan dan oksidasi berlangsung mendekati laju pertumbuhan linier. Tegangan pacta selaput oksida sebanding dengan ratio Pilling- Bedworth, yaitu ratio an tara volume oksida dan volume logam yang membentuk oksida. Ratio volume oksida yang terbentuk terhadap volume logam yang termakan karena memproduksi oksida merupakan faktor penting dalam menentukan laju korosi untuk rentang waktu yang lama. Apabila volume oksida lebih kecil daripada volume logam, oksida akan teregang pacta permukaan logam sehingga selaput oksida berpori dan tidak berfungsi sebagai pelindung. Jika volume oksida lebih besar daripada volume logam asalnya, maka oksida akan sinambung dan berfungsi sebagai pelindung. Oksidasi logam yang membentuk lapisan oksida mantap dan tidak mudah menguap akan berlangsung disertai penambahan berat yang bergantung pacta waktu. Bila oksida yang terbentuk mudah mengua maka hilangnya berat juga sejalan dengan waktu.(1 Menurut hukum Wagner-Hauffe, penambahan unsur paduan merupakan salah satu tara untuk mengubah laju oksidasi sehingga ketahanan terhadap oksidasi meningkat. Unsur paduan dapat ditambahkan karena merupakan pembentuk oksida yang kuat dad cenderung membentuk oksidanya sendiri pacta permukaan logam. Penambahan kromium memberikan hambatan yang baik terhadap oksidasi pacta besi dad baja. lni disebabkan karena kromium memperkaya lapisan paling dalam pacta selaput besi oks ida, bahkan membentuk lapisan kromium oksida tepat di bawah besi oksida. Lapisan-lapisan ini lebih tahan terhadap difusi ion atau elektron daripada lapisan besi oksida saja, sehingga laju oksidasi berkurang.{2) Untuk menambahkan unsur kromium ke dalam besi dad baja digunakan teknik implantasi ion sehingga diharapkan dapat dihasilkan bahan besi dan baja yang lebih tahan terhadap oksidasi. TATAKERJA Bahan cuplikan yang digunakan dalam penelitian ini adalah besi (Fe 95,5%) dan baja (tipe AISI 34). Pada tahap awal pembuatan cuplikan dilakukan pemotongan bahan berbentuk lingkaran dengan diameter 15 mm dan ketebalan I mm menggunakan gergaji intan kecepatan rendah. Sebelum diimplantasi terlebih dahulu permukaannya dihaluskan dengan menggunakan kertas amplas dari ukuran 36 mesh hingga 16 mesh. Kemudian dilanjutkan dengan pemolesan menggunakan pasta intan ukuran I m sehingga diperoleh permukaan yang!talus dan mcngkilap. Untuk mcnghilangkan serbuk kertas amplas serta kotoran yang masih melekat, cuplikan dicuci dengan ail: maupun alkohol. kemudian dikeringkan. Sesudah selesai pencucian maka cuplikan siap diimplantasi, Proses implantasi ion kromium ke dalam cuplikan menggunakan akselerator implantasi ion energi rendah 15 ke V. Selama proses, arus berkas ion kfomium yang dihasilkan oleh sistem sumber ion dibuat tetap sebesar 2 A dan tekanan vakum dalam orde 1.5 torr. Dalam pelaksanaan implantasi ion diterapkan energi ion kromium sebesar 1 key dan dosis ion 5 x 117 ion/cm2, pengukuran ketahanan oksidasi dilakukan dalam media oksigen kering pada suhu tinggi dengan waktu pengamatan yang bervariasi, Untuk mengetahui ketahanan oksidasinya dilakukan analisis pengurangan/penambahan berat. Berdasarkan eksperimen di at as dibuat grafik hubungan an tara waktu pengamatan terhadap pengurangan/ penambahan berat. Dari grafik tersebut diharapkan akan diperoleh kondisi ketahanan oksidasi Fe 95,5% dan baja tipe AISI 34. HASIL DAN PEMBAHASAN Pada umumnya ketahanan oksidasi akan meningkat ketika lapisan oksida menebal. Oksidasi logam yang membentuk lapisan oksida mantap dan mudah menguap menyebabkan penambahan berat. Hasil oksidasi dalam media oksigen kering pada suhu tinggi dengan waktu pengamatan yang bervariasi disajikan dalam Tabel I, 2, 3 dan 4. Sedangkan grafik hubungan antara waktu pengamatan terhadap pengurangan/penarnbahan berat dari keempat tabel tersebut ditampilkan pada Gambar 2, 3, 4 dan 5.

3 No. Proseding Perlemuan don Presenlasi /lmiah P3TM-BATAN. Yogyakarla Juli 2 Buku I 15 Tabell. Hasi/ oksidasi untuk berbagai "arias; waktu pada suhu 9 C Fe 95,5% sebe/um imp/antasi. Waktu (jam) Berat A wal (gram) Berat Akhir (gram) Penambahan Berat (gram) ,3586 1,376 1,4443 1,4633 1,5396,12,857,147,181 - '- C) -..., to....c c to J: (U. E <U C Q) Q Gambar 2. Grajik hubungan waktu pengamatan terhadap pengurangan/penambahan berat pada Fe 95,5% sebe/um imp/antasi. Tabcl 2. Hasil aksidasi u,?/uk berbagai variasi wak/u pada suhu 9 c Fe 95,5% sesudah implan/asi. No Waktu (jam) Berat A\val (gram) Bcrat Akhir (gram) Pcnambahan Bcrat(gram) 8 1,3139, ,3114 1,4587, ,5124, ,5362,2248 ISSN Lely Susita R.M, dkk.

4 16 Buku I proseding Perlemuan dan Presenlasi //miah P3TM-BATAN. Yogyakarla Ju/i 2 - C) - cu Q).c c.i=.. E f'3 C Q. Waktu (Jam) Gambar 3. Grafik hubungan waktu pengamatan terhadap penguranganl penambahan berat pada Fe 95,5% sesudah imp/antasi. Dari data hasil,oksidasi Fe 95,5% seperti yang disajikan pada Tabel I dan 2 atau Gambar 2 dan 3, terlihat bahwa penambahan berat pada Fe 95,5% berlangsung secara linier terhadap waktu. Sebelum diimplantasi, penambahan berat pad a suhu 9 c untuk waktu pengamatan 8 jam sebesar,12 gram. Nilai ini berangsur-angsur naik menjadi,857 gram pada waktu pengamatan 16 jam dan,147 gram pada waktu 24 jam serta,181 gram pacta waktu 32 jam. Demikian halnya sesudah diimplantasi, penambahan berat pada Fe 95,5% semakin besar jika waktu pengamatan semakin ditambah. Untuk waktu pengamatan 8, 16,24 dan 32 jam penambahan berat pada suhu 9 c naik menjadi,225,,1473,,21 dan,2248 gram. Ini berarti bahwa efek implantasi ion kromium dapat meningkatkan ketahanan oksidasi pada Fe 95,5%. Dari hasil oksidasi baja tipe AISI 34 yang disajikan pacta Tabel 3 dan 4 serta Gambar 4 dan 5 terlihat bahwa pembentukan oksida pacta baja tipe AISI 34 mudah menguap sehingga menyebabkan kehilangan berat yang linier terhadap waktu. Hal terse but disebabkan karena pacta kandungan kromium yang lebih tinggi dan temperatur yang tinggi memungkinkan nukleasi Cr2) dan memicu pembentukan oksida dengan struktur kristal tipe spinel yang kurang protektif:j,2) Pengurangan berat baja tipe AISI 34 sebelum diimplantasi untuk waktu pengamatan 8, 16, 24 dan 32 jam pacta suhu 9 c sebesar,172,,168,,164 dan,162 gram. Sedangkan sesudah diimplantasi pengurangan berat untuk waktu pengamatan 8, 16, 24 dan 32jam sebesar,311,,217,,29 dan,194 gram. Tabel 3. Hasi/ oksidasi un/uk berbagai variasi wak/u pada suhu 9 C baja /ipe AISI 34 sebe/um imp/an/asi.

5 Proseding PerlemUan don Presenlasi Ilmiah P3TM-BATAN, Yogyakarta Ju/i 2 Buku I "".9.172!.17.a c.168 ( g'.166 tu... = c 4J.162 n Waktu Oam) Gambar 4. Grafik hubungan waktu pengamatan terhadap penguranganl penambahan berat pada baja tipe A/S/ 34 sebe/um imp/antasi. Tabel 4. Hasil oksidasi untuk berbagai variasi waktu pada suhu 9 C baja tipe AfSf 34 sesudah imp/antasi. No. Waktu (jam) Berat Awal (gram) Berat Akhir (gram) Penambahan Berat (grl\m) ,3946 1,3635 1,3729 1,3736 1,3752,311,217,21,194 C) Q c.2 g'.15.1 Ct.5 n Waktu (jam) 4 Gambar 5. Graftk hubungan wak/u pengama/an /erhadap pengurangan/ penambahan bera/ pada bola /ipe AlSl 34 sesudah implan/asi. [SSN 2[ Lely Susita R.M, dkk.

6 18 Buku I ProsedingPer/emuan dan Presen/asi I/miah P3TM-BATAN. Yogyakar/a Jut; 2 KESIMPULAN Oari analisa data hasil oksidasi dalam media oksigen kering pacta suhu tinggi dengan waktu pengamatan yang bervariasi dapat disimpulkan bahwa I. Pad a umumnya ketahanan oksidasi akan meningkat ketika lapisan oksida menebal. Oksidasi logam yang membentuk lapisan oksida mantap dan tidak mudah menguap menyebabkan penambahan berat. Penambahan berat pad a Fe 95,5% berlangsung secara linier terhadap waktu. Sebelum dan sesudah dilakukan implantasi ion kromium, penambahan berat Fe 95,5% untuk waktu pengamatan 32 jam pada suhu 9 c masing-masing adalah,181 gram (13,32 %) dan,2248gram (17,14%). Ini berartj efek implantasi ion kromium dapat meningkatkan ketahanan oksidasi pacta Fe 95,5%. 2. Pembentukan oksida pacta baja tipe AISI 34 mudah menguap sehingga menyebabkan kehilangan berat yang linier terhadap waktu. Hal tersebut disebabkan karena pada kandungan kromium yang lebih tinggi dan temperatur yang tinggi memungkinkan nukleasi Cr2) dan memicu pembentukan oksida dengan struktur kristal tipe spinel yang kurang protektif. Pengurangan berat baja tipe AISI 34 sebelum dan sesudah diimplantasi untuk waktu pengamatan 32 jam pacta suhu 9 c adalah,162 gram (1,17%) dan,194 gram (1,39%). UCAP AN TERIMA KASIH Pacta kesernpatan ini penulis rnengucapkan terirna kasih kepada Bapak AI. Sunarto, Bapak Mujiyono dan Bapak Surnarmo yang telah rnernbantu dalam pelaksanaan eksperirnen. Mudahrnudahan budi baik tersebut rnendapat balasan dari Allah s. W.t. Arnien. DAFTARPUSTAKA 1. TRETHEWEY, K.R., CHAMBERLAIN, J., "Corrosion for Students of Science and Engineering", Longman Group, U.K. Limited (1988). 2. SMALLMAN, R.E., "Modern Physical Metallurgy", Butterworth & Co Ltd. (1985). 3. GALERIE, A., "Modern Physical Metallurgy", Butterworth & Co Ltd. (1985). 4. FONTANA, M.G., GREENE, N.D., "Corrosion Engineering", Mc. Graw Hill, New York (1978). Lely Susita R.M, dkk. TANYAJAWAB Fathurrachman -Mohon dijelaskan peran teknologi implantasi Cr ini dibidang manufaktur dad manfaatnya. Apakah hal ini dapat diterapkan dalam produksi baja? Lely Susita RM -Peron teknologi implantasi kromillm yang dibahas dalam penelitian ini yailu dapat dihasilkan bahan besi yang lebih tahan lerhadap ok$idasi. sehingga dapat dimanjaatkan sebagai bahan tahan oksidasi diberbagai bidang. termasuk instalasi perlakuan panas. Man/aat lainnya dari paduan besilkromillm yang mengandung 12% kromium merupakan bahan yang baik untuk slldu-sudu pada turbin. sedangkan yang mengandung 3% kromium digunakan dalam industri kimia don tanur. Dipihak lain. penambahan kromium juga memberikan hambatan yang baik terhadap,vertzlf'lbullan oksidasi pada baja dan juga beberapa jenis paduan lain. Karena kromium memperkaya lapisan paling dalam pada se/aput besi oksida, bahkan me/l1bentllk lapisah kromium oksida (Cr23) tepal di bawah besi oksida (Fe23). Akan tetapi kemungkinan /lukleasi Cr23 akan terjadi pada kadar kronlium yang tinggi dan temperatur yang tinggi. Perlakuan panas yang mengllrangi kadar kromizlm pada permukaan akan memicu pembentllkan oksida spinel. Oksida ini kllrang protektif dibanding jika oksida yang terbentuk dari kromizlm. Kamsul Abraha -Dalam tiap penanganan dengan implantasi, menarik kalau ketahanan terhadap oksidasi dikaitkan dengan info mengenai "depth profile" misalnya, karena proses oksidasi adalah terkait langsung dengan "charge distribution". Lely Susita RM. -Sarannya dapat dipertimbangkan. Pada pene- /itian sebe/umnya pernah di/akukan ana/isis distribusi konsentrasi unsur sebagai lungsi ked a/am an penetrasi imp/antasi ion pada bahan baja. Untuk mengana/isis distribusi konsentrasi ion yang terimp/antasi digunakan mikroskop e/ektron yang dikope/ dengan alai ana/isis unsur (be/um tersedia pada insta/asi P3TM). ISSN