Pengaruh Deposisi Lapisan Tipis Ti-Al-N Terhadap Umur Pahat Bubut HSS

Transkripsi

1 JURNAL SEMESTA TEKNIKA Vol. 11 No. 2 (November 2008): Pengaruh Deposisi Lapisan Tipis Ti-Al-N Terhadap Umur Pahat Bubut HSS (Effect of Thin Layer Deposition of Ti-Al-N on Life Time of HSS Cutting Tool) SIGIT HIDAYAT NURI ABSTRACT The surface hardness of material can be improved through appropriate technique in surface coating. There are several various techniques have been used in order to obtain an optimum result of surface coating. One of them is sputtering technique. Thin layer deposition of Ti N + Al N (titanium nitride + aluminum nitride) materials with sputtering is a modern coating process for improving material properties. The objective of this paper is to obtain an optimum result on surface hardness of HSS cutting and lifetime cutting tool. The specimen with mm was coated by Ti-N + Al-N materials in various temperatures, coating times, and gas pressure ratio of Ar and N2. Hardness test of Micro Vickers was used for 10 gf of load in this study. The optimum hardness number (VHN 0, ) was reached at 150 C for 2 hours process of pressure ratio of Ar : N 2 is 1 : 1 at kg/cm 2. The hardness number of HSS material was found to be 847, 9 VHN 0,01. The HSS Ti N + Al N, deposition on HSS cutting tool were used in order to cut medium carbon steel with 1 mm cutting thickness at mm/rev of feeding speed. The speed was varied for 35, 45 and 48 m/min. The HSS cutting tool coated by Ti N + Al N has 107 % of hardness and 144% 149 % of life time compared to the uncoated cutting tool. Keywords: sputtering, Ti N + Al N, lifetime, HSS PENDAHULUAN Proses pembubutan adalah salah satu proses penting dalam proses manufaktur, sehingga efisiensi dan efektifitas pembubutan perlu dikaji dan diteliti. Masalah yang sering timbul dalam pembubutan adalah keausan dari mata pahat bubut yang bekerja dalam kondisi beban dinamik dan temperatur tinggi. Oleh karena itu pahat harus memiliki sifat tahan aus, kekerasan tinggi dan mampu bekerja pada temperatur tinggi. Metode sputtering dapat digunakan untuk melapisi permukaan pahat dengan lapisan yang keras dan tahan suhu tinggi sehingga dapat meningkatkan unjuk kerja pahat bubut tersebut. Metode sputtering adalah cara rekayasa bahan dengan cara penembakan atom-atom berenergi tinggi ke permukaan target (material pelapis), sehingga atom-atom target terlepas dari permukaannya, kemudian difokuskan ke permukaan substrat (material yang dilapisi) (Grainger, 1989). Keuntungan dari metode ini adalah tebal lapisannya mudah dikontrol dan proses pelapisannya berlangsung dalam temperatur yang relatif rendah sehingga thermal stress pada permukaan substrat relatif kecil. Penelitian ini bertujuan untuk mendeposisikan dua lapisan tipis TiN + AlN pada pahat bubut HSS untuk mendapatkan sifat-sifat permukaan yang lebih keras dan umur pahat lebih lama dibanding tanpa pelapisan. Makalah ini juga memberikan informasi suatu metode untuk meningkatkan umur pahat sehingga dapat meningkatkan produktivitas dan kualitas permukaan dari hasil pembubutan. TINJAUAN PUSTAKA Metode sputtering telah terbukti mampu meningkatkan kekerasan permukaan logam dengan beberapa keuntungan antara lain (Sujitno, 2003) :

2 182 S.H. Nuri/Semesta Teknika Vol. 11 No. 2 (2008): ). dapat melapisi lapisan tipis dari bahan dengan titik leleh tinggi, 2). dapat melapisi bahan logam, paduan, semikonduktor dan bahkan isolator, 3). daya rekatnya tinggi, 4). ketebalan lapisan dapat dikontrol, 5). penghematan bahan yang dideposisikan. Lii et al. (1998) melakukan penelitian deposisi lapisan tipis Ti Al N pada HSS yang sebelumnya di-aneal (860 o C), di-quench dari 1220 C dan kemudian ditemper pada suhu 550 C. Dengan teknik sputtering DC pada suhu 350 C pada tekanan gas 0,8 Pa dan aliran gas 20 lt/min, lapisan yang terbentuk adalah 4 m. Jim (2002) menyebutkan bahwa titanium aluminium nitrida (TiAlN) memiliki kekerasan yang sangat tinggi dan tahanan oksidasinya relatif baik dibanding Ti N. Warnanya ungu keabu-abuan dan konduktivitas panasnya rendah serta sangat keras dan cocok untuk pahat potong mesin frais. Akhyar (2004) melakukan penelitian deposisi lapisan tipis Ti N pada pahat HSS dengan teknik sputtering DC, hasil penelitian mampu meningkatkan kekerasannya sebesar 61,6% dan umur pemakaiannya meningkat antara 15 % - 55 %. Plasma Sputtering Proses sputtering diawali dengan proses ionisasi gas-gas sputter seperti; argon (Ar), xenon (Xe), kripton (Kr), neon maupun helium (He) pada tekanan parsial di dalam tabung reaktor plasma dalam orde torr. Akibat pengaruh medan listrik diantara elektrode 1 3 kv maka ion-ion gas sputter akan bergerak dengan energi yang cukup menuju target /katoda (Sujitno, 2002). Bila energi kinetik ion gas-gas sputter cukup tinggi untuk mengatasi energi ikat (binding energy) atom-atom target, maka akibat transfer momentum, atom-atom target akan terlempar dari induknya. Atom-atom yang ter-sputter tersebut sebagian akan bergerak menuju permukaan substrat. Prinsip inilah yang mendasari dari pemanfaatan plasma sputtering untuk mendeposisikan lapisan tipis pada permukaan bahan. GAMBAR 1. Interaksi berkas ion gas sputter dengan material target Terdapat beberapa fenomena yang mungkin terjadi sebagai akibat interaksi berkas ion gas sputter dengan material target, yaitu : 1). ion gas sputter terpantul dan dapat menjadi netral dengan menangkap elektron auger, 2). atom target akan terpental keluar dapat disertai dengan elektron sekunder, 3). ion gas sputter yang mempunyai energi tinggi dapat terimplantasi/tertanam ke dalam target dan dapat mengakibatkan perubahan sifat-sifat permukaan target,

3 S.H. Nuri/Semesta Teknika Vol. 11 No. 2 (2008): ). elektron-elektron dalam plasma dapat terpantul oleh permukaan target. Titanium Nitrida Titanium nitrida (Ti N) memiliki sifat-sifat istimewa, diantaranya; kekerasan permukaan yang tinggi, tahan aus, tahan temperatur tinggi (titik lebur tinggi), tahan korosi, koefien gesek rendah, penghantar panas yang tinggi, berwarna keemasan, memiliki daya ikat yang baik antara pelapis dan bahan yang dilapisi. Dengan sifat di atas sangat baik untuk pelapisan alat potong, dekoratif dan komponen instrumen (Guoqinga et al., 1998). Keausan Pahat Bubut Bagian dari pahat bubut yang mengalami aus adalah bagian sisi (flank) dan bagian atasnya (crater), seperti terlihat pada Gambar 3. Tahapan (mekanisme) terbentuknya keausan pahat potong dapat dibedakan menjadi dua: 1. Keausan bagian muka pahat yang ditandai dengan pembentukan kawah/ lekukan (crater) sebagai hasil dari kerja /gesekan serpihan (chip) sepanjang muka pahat. 2. Keausan pada bagian sisi (flank) yang terbentuk akibat gesekan benda kerja yang bergerak (dengan feeding tertentu). (a) (b) GAMBAR 2. Diagram fasa untuk (a). Ti-N, dan (b). Al-N SUMBER: Korhonen & Harju (2000) GAMBAR 3. Bagian pahat bubut yang mengalami aus

4 184 S.H. Nuri/Semesta Teknika Vol. 11 No. 2 (2008): METODE PENELITIAN 1. Bahan Penelitian Spesimen awal bahan HSS, Titanium dan aluminium diameter 6 cm, gas argon, gas nitrogen, alkohol teknis, kertas gosok mulai ukuran 100 hingga 1500 mesh dan baja karbon medium. 2. Peralatan Pengujian 1. Alat sputtering (Gambar 4), yang terdiri dari tabung reaktor plasma, sistem vakum, sistem pendinginan, sistem pemasukan gas, sistem pemanas substrat, sumber tegangan tinggi DC, 2. Vicker s hardness tester, ultrasonic cleaner, alat pemanas (oven), mesin bubut, travelling microscope dan stopwatch, 3. X-ray diffractometer. GAMBAR 4. Skema peralatan sputtering SUMBER: Sujitno (2003) 3. Pelaksanaan Penelitian Salah satu permukaan benda uji HSS (9,4 9,4 11) mm dihaluskan dengan kertas gosok (abrasif) hingga ukuran 1500 mesh, dipoles dan diuji kekerasannya dengan Vicker s hardness tester. Kemudian dicuci dengan ultrasonic cleaner yang berisi alkohol teknis selama 30 menit, selanjutnya dipanaskan dalam oven pada suhu 125 C selama 1 jam. Pada pelapisan pertama, benda uji (spesimen awal) HSS sebagai substrat diletakkan pada holder (anode) yang ditanahkan pada tabung plasma. Benda pelapis (target) titanium diletakkan pada katoda. Gas argon dialirkan ke tabung plasma dan dilucutkan dengan sumber tegangan tinggi DC yang dihubungkan ke terminal katoda dan anoda, gas nitrogen juga dialirkan secara bersamaan ke tabung plasma untuk membentuk lapisan titanium nitrida pada permukaan substrat. Proses pendeposisian ini berlangsung pada tekanan sekitar torr, suhu C, selama 1 jam (Akhyar, 2004). Pelapisan kedua, spesimen yang sudah dilapisi dengan TiN tersebut sebagai substrat dan Aluminium sebagai target, prosesnya sama seperti pelapisan pertama. Proses pendeposisian ini berlangsung pada tekanan sekitar torr, dengan 4 variasi suhu, 4 variasi waktu dan perbandingan aliran gas Ar : N 2 adalah 3 : 7 L/min. Hasil optimalisasi dari variasi ini digunakan untuk pelapisan sisi potong pahat bubut. Pahat bubut yang telah dilapisi Ti N + Al N dan yang tidak dilapisi Ti N + Al N diuji untuk membubut baja carbon medium tanpa pendinginan dengan tebal pemotongan 1 mm, laju pemakanan 0,084 mm/put, dan kecepatan pemotongan bervariasi. Kemudian dilakukan pengukuran keausan sisi potong (flank) VB = 0,3 mm dengan travelling microscope pembesaran 20 kali.

5 S.H. Nuri/Semesta Teknika Vol. 11 No. 2 (2008): HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN 1. Uji Struktur Mikro dan Komposisi HSS Baja Kecepatan tinggi (high speed steel) yang sudah dihaluskan dengan amplas hingga 1500 mesh dan dipoles autosol dan digosok dengan kain beludru yang berputar dan dietsa dengan nital 2% kemudian diamati dengan mikroskop optik pembesaran 500 kali. Struktur mikro ditunjukkan pada Gambar 5. Struktur mikro HSS terdiri dari jarum-jarum martensit dalam butiran austenit kasar. Struktur ini kemungkinan dikeraskan dengan dipanaskan pada batas atas jangkauan yang diijinkan sehingga bahan HSS ini rapuh dan tidak tahan terhadap beban kejut. Dari hasil pengujian Vickers, kekerasan awal adalah VHN 0.01 = 847,9. Data hasil pengujian komposisi HSS disajikan pada Tabel 1. GAMBAR 5. Struktur mikro HSS dietsa dengan nital 2 % TABEL 1. Hasil uji komposisi bahan HSS Unsur Komposisi (% berat) Rata-rata C 0,984 0,990 0,987 0,989 V 1,170 1,140 1,190 1,170 Cr 3,782 3,813 3,792 3,796 Fe 89,140 89,190 89,070 89,130 Mo 1,031 1,018 1,044 1,031 W 2,220 2,170 2,230 2, Uji Struktur Mikro dan Komposisi Baja Karbon Medium Struktur mikro bahan baja karbon medium yang digunakan uji keausan (pembubutan) ditunjukkan pada Gambar 6. Struktur mikronya terdiri dari ferit berwarna putih dan perlit berwarna abu abu. Struktur mikro ini diamati pada penampang melintang bagian tepi bahan poros baja. Baja karbon medium yang dibubut mempunyai kekerasan Vickers rata-rata VHN 40 = Komposisi unsurnya disajikan pada Tabel Kekerasan Mikro Vickers HSS Sebelum di Sputtering Spesimen awal HSS sebanyak 40 buah diuji kekerasannya dengan Vicker s hardness tester pada pembebanan 10 gr. Kekerasan rata ratanya adalah 847,9 kg/mm 2.

6 186 S.H. Nuri/Semesta Teknika Vol. 11 No. 2 (2008): GAMBAR 6. Struktur mikro bahan baja karbon medium, dietsa dengan nital 2 %. TABEL 2. Hasil uji komposisi bahan baja karbon medium Komposisi (% berat) Unsur Rata-rata C 0,141 0,144 0,143 0,143 Si 0,177 0,152 0,163 0,164 Mn 0,669 0,609 0,636 0,638 Fe 98,62 98,69 98,66 98,65 Cr 0,124 0,123 0,122 0, Kekerasan Mikro Vickers setelah di Sputtering Spesimen awal bahan HSS yang telah di sputtering TiN + Al N dengan variasi waktu dan temperatur diuji kekerasannya, seperti ditunjukkan pada Gambar 7. Dari Gambar 7 dan Gambar 8 terlihat bahwa nilai kekerasan optimal pada proses pelapisan Ti-N + Al-N dengan suhu 150 C, selama 2 jam, perbandingan jumlah aliran gas Ar : N 2 adalah 3 : 7 lt/min dan perbandingan tekanan gas Ar : N : kg/cm 2. Nilai kekerasan optimal proses deposisi TiN + AlN adalah VHN 0.01 = 1756,2, sedangkan kondisi awal sebelum di-sputter kekerasannya adalah VHN 0.01 = kg/mm 2. Dengan demikian, peningkatan kekerasannya menjadi sebesar 107 %. Pelapisan TiN+AlN pada HSS kekerasannya meningkat cukup besar. 5. Pengukuran Tebal Lapisan dan Komposisi Ti N + Al N Tebal lapisan yang terdeposisi selama proses sputtering diamati dengan Scanning Electron Microscope (SEM) seperti ditunjukkan pada Gambar 9. Foto ini diambil pada posisi membujur sisi potong pahat. Tebal rata-rata lapisan tipis Ti N + Al N di sepanjang bagian lurus pahat adalah 0,53 m. Komposisi unsur dari Ti N + Al N diamati dengan Energy Dispersive Spectrometer (EDS) seperti disajikan pada Tabel 3. Dari Tabel 3. terlihat bahwa deposisi lapisan tipis Ti N + Al N pada pahat HSS mengandung unsur N, Al dan Ti masing-masing sebesar 16,64 %, 80,98 % dan 2,39 %. Hal ini membuktikan bahwa peningkatan kekerasan pahat dari hasil pengujian kekerasan betul-betul disebabkan oleh lapisan Ti N + Al N yang terdeposisi tebal rata-rata 0,53 m.

7 S.H. Nuri/Semesta Teknika Vol. 11 No. 2 (2008): Kekerasan VHN, kg/mm Waktu, jam GAMBAR 7. Grafik kekerasan mikro Vickers terhadap variasi waktu, tekanan Ar: N2 = 1:1 ( torr), aliran gas Ar : N2 = 3 : 7 L/menit Ke k e r as an V HN, k g/m m ^ Suhu^o C GAMBAR 8. Grafik kekerasan mikro Vickers terhadap variasi suhu, tekanan Ar : N2 = 1 : 1 ( torr), aliran gas Ar : N2 = 3 : 7 L/menit. 0,53 m GAMBAR 9. Hasil SEM penampang membujur sisi potong lurus pahat bubut HSS setelah di sputtering TABEL 3. Hasil uji komposisi lapisan Ti N + Al N (% massa) Unsur Komposisi (% massa) Rata-rata (%massa) N 16,650 16,910 16,350 16,635 Al 80,160 81,910 80,850 80,973 Ti 3,190 1,180 2,810 2,393

8 188 S.H. Nuri/Semesta Teknika Vol. 11 No. 2 (2008): Hasil Pengujian Umur Pahat Bubut Pengujian keausan pahat bubut yang dilapisi dan tanpa pelapisan Ti N + Al N dilakukan di CITS-PAU Pascasarjana UGM menggunakan mesin bubut Maximat V13 (Tabel 4). Dari Gambar 10 terlihat bahwa pada masingmasing variasi kecepatan potong dengan tebal pemakanan 1 mm dan laju pemakanan 0,084 mm/put, umur pahat bubut dengan lapisan Ti N + Al N relatif lebih lama (meningkat) bila dibandingkan dengan pahat yang tidak dilapisi. Pada kecepatan potong 38 dan 45 m/min. Umur pahat yang dilapisi Ti N + Al N masing-masing adalah 149,75 dan 110 menit, sedangkan pahat yang tidak dilapisi Ti N + Al N adalah 60 dan 45 menit, peningkatan umurnya berkisar 149% dan 144%. Hal ini jelas disebabkan oleh lapisan Ti N + Al N yang terdeposisi pada pahat, sehingga menjadi lebih keras dan tahan aus pada suhu yang lebih tinggi. Pada pahat dengan pelapisan Ti N, pada kecepatan 38 dan 48 m/min, umur pahat masing-masing adalah 90 dan 60 menit. Bila dibandingkan dengan pelapisan Ti N + Al N ada peningkatan umur 65% dan 83%. 7. Pengamatan Makro Flank Wear Sisi Potong Pahat Bubut Hasil pengamatan makro flank wear (keausan sisi potong) untuk pahat yang tidak dilapisi dan yang dilapisi Ti N + Al N ditunjukkan pada Gambar 11, Gambar 12 dan Gambar 13. TABEL 4. Pengujian keausan pahat bubut Kec. Potong (m/mm) Umur (menit) Tanpa Pelapisan 25,98 100,83 39,27 78,85 44,54 44,60 Dilapisi Ti N 22,21 225,64 32,84 119,38 35,67 108,57 49,34 54,99 Dilapisi Ti N + Al N 38,59 149,75 45,22 122,46 47,08 90,914 SUMBER: Akhyar (2004) GAMBAR 10. Grafik variasi kecepatan potong terhadap umur pahat, tebal potong 1 mm, laju pemakanan mm/put

9 S.H. Nuri/Semesta Teknika Vol. 11 No. 2 (2008): GAMBAR 11. Foto makro sisi potong pahat HSS sebelum digunakan 0.21 mm GAMBAR 12. Foto makro flank wear sisi potong pahat HSS tidak dilapisi TiN + AlN (VB 0.21 mm) 0.26 mm GAMBAR 13. Foto makro flank wear sisi potong pahat HSS yang dilapisi TiN + AlN (VB 0.26 mm) Dari gambar-gambar tersebut tampak jelas kalau keausan dimulai pada ujung sisi potong lurus kemudian merambat ke arah flank. Pertumbuhan keausan jelas terlihat merata ke arah creater dan flank (Gambar 11 dan Gambar 12). Lapisan Ti-N + Al-N tampak jelas di permukaan pahat berwarna hitam dan keausannya mulai dari ujung sisi potong menuju arah flank. Pola keausannya tidak merata dan pertumbuhan pada daerah ujung dan flank lebih dominan dan sedikit sekali ke arah creater. 8. Analisis Tegangan Sisa Deposisi lapisan tipis TiN dan TiN + AlN dengan proses sputtering menyebabkan terjadinya tegangan sisa tekan pada permukaan

10 190 S.H. Nuri/Semesta Teknika Vol. 11 No. 2 (2008): baja HSS. Sebelum baja HSS dilapisi TiN dan TiN + AlN ada pula tegangan sisa akibat hasil pemotongan atau penggerindaan. Hasil pengukuran dengan X-ray diffractometer pada permukaan baja HSS menghasilkan tegangan sisa tekan sebelum dilapisi (σ) = - 1,15 GPa, setelah proses pelapisan TiN (σ) = - 2,32 GPa dan setelah proses pelapisan TiN + AlN (σ) = -4,29 GPa. Kenaikan tegangan sisa tekan pada baja HSS yang dilapisi TiN dengan proses sputtering (σ) = -1,17 GPa, atau sebesar 101 %. Kenaikan tegangan sisa tekan setelah dilapisi TiN + AlN dengan proses sputtering (σ) = -3,14 GPa atau sebesar 272 %. KESIMPULAN 1. Pendeposisian lapisan TiN + AlN pada permukaan bahan pahat HSS mampu meningkatkan kekerasan permukaan sebesar 107% dari 847,9 kg/mm 2 ke 1756 kg/mm 2, pada suhu 150 o C dan waktu deposisi 2 jam, dengan perbandingan tekanan gas Ar : N 2 = : kg/cm Hasil pengukuran dengan X-ray diffractometer pada permukaan baja HSS menghasilkan tegangan sisa tekan sebelum dilapisi TiN (σ) = 1,15 GPa, dan setelah proses dilapisi TiN (σ) = 2,32 GPa. Kenaikan tegangan sisa tekan pada baja HSS yang dilapisi TiN dengan proses sputtering (σ) = 1,17 GPa, atau sebesar 101%, sedangkan kenaikan tegangan sisa tekan setelah dilapisi TiN + AlN dengan proses sputtering (σ) = 3,13845 GPa atau sebesar 272%. 3. Tebal lapisan tipis Ti + AlN diukur dengan SEM adalah 0,6 µm. 4. Pada tebal potong 1 mm dan laju pemakanan 0,084 mm/put dengan kecepatan potong 35 dan 45 m/min, umur pahat meningkat sebesar 149 % dan 144 % bila dibanding pahat tanpa pelapisan. Bila dibandingkan dengan pahat yang dilapisi TiN pada kecepatan 35 dan 45 m/min, umur pahat mengalami kenaikan sebesar 65 % sampai 83 %. UCAPAN TERIMA KASIH Peneliti mengucapkan kepada DIKTI yang telah mendanai penelitian ini melalui Program Research Grant TPSDP Batch III tahun Selain itu, terima kasih yang tulus juga kami sampaikan kepada Pembimbing penelitian ini, yaitu: Ir. Mudjijana, M.Eng. dan Drs. Tjipto Suyitno, M.T. yang telah membimbing selama pelaksanaan sampai penulisan laporan penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA Grainger, S. & Blunt, J. (1989). Engineering Coatings: Design and Application. Cambridge: Woodhead Publishing. Guoqinga, Y., Jingshenga, C., Yinga, S., Haochanga, P., Dezhanga, Z., Hongjiea, X. & Zhihao, Z. (1998). Formation of titanium nitride film by energetic cluster impact deposition. Thin Solid Film, 355(1-2), Korhonen, A. S. & Harju, E. (2000). Surface engineering with light alloys hard coatings, thin films, and plasma nitriding. Journal of Material Engineering and Performance, 9(3), doi: / Lii D.F., Huang, J.L. & Shew, B.Y. (1998). Modelling of reactively sputtered TiAlN film. Thin Solid Film, 355(1-2), Sujitno, B.A. (2003). Sputtering untuk Rekayasa Permukaan Bahan (Diktat Kuliah Workshop). Yogyakarta: P3TM BATAN. PENULIS: Sigit Hidayat Nuri Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Yogyakarta, Jalan Lingkar Selatan, Bantul 55183, Yogyakarta, Indonesia. irahirni@yahoo.com Diskusi untuk makalah ini dibuka hingga 1 Oktober 2009 dan akan diterbitkan dalam jurnal edisi November 2009.