ANALISIS STRUKTUR MIKRO DAN SIFAT MEKANIK LAPISAN NiCr-Al YANG DIBENTUK DENGAN METODE SPUTTERING PADA BAJA ST 40

Transkripsi

1 ANALISIS STRUKTUR MIKRO DAN SIFAT MEKANIK LAPISAN NiCr-Al YANG DIBENTUK DENGAN METODE SPUTTERING PADA BAJA ST 40 TESIS Diajukan Kepada Program Studi Magister Teknik Mesin Sekolah Pascasarjana Universitas Muhammadiyah Surakarta Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Guna Memperoleh Gelar Magister dalam Ilmu Teknik Mesin Oleh : HARI SETIADI NIM. U MAGISTER TEKNIK MESIN SEKOLAH PASCASARJANA UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 2018 i

2 ii

3 iii

4 iv

5 v

6 vi

7 ANALISIS STRUKTUR MIKRO DAN SIFAT MEKANIK LAPISAN NiCr-Al YANG DIBENTUK DENGAN METODE SPUTTERING PADA BAJA ST 40 Hari Setiadi 1, Tri Widodo Besar R 2, Agus Dwi Anggono 3 Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta Jl. A, Yani, Pabelan, Kartasura, Tromol Pos 1, Kartasura, Indonesia mashari47@yahoo.com Abstrak : Proses deposisi lapisan tipis NiCr dan Al pada substrat ST 40 di lakukan dengan teknik sputtering. Dalam teknik sputtering, substrat ST 40 diletakkan pada anoda dan target NiCr dan Al diletakkan pada katoda, gas nitrogen sebagai gas reaktif dan gas argon sebagai gas sputter. Proses deposisi ST 40 dilakukan dengan 2 kali pelapisan. Lapisan pertama dengan NiCr dengan variasi waktu 60, 120, 180, dan 240 menit, kemudian lapisan ke dua dengan Al dengan waktu 30 menit. Kemudian dipanasi pada suhu C selama 30 menit. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh deposisi lapisan tipis NiCr dan Al terhadap substrat ST 40. Hasil eksperimen yaitu kekerasan, struktur mikro (SEM) dan komposisi unsur (EDX). Karakterisasi nilai kekerasan untuk ST 40 sebesar 171,96 HVN, sedangkan lapisan tipis NiCr selama 60 menit sebesar VHN, dan sebesar VHN (tanpa pemanasan NiCr 60 menit, Al 30 menit), VHN (tanpa pemanasan NiCr 120 menit, Al 30 menit), VHN (tanpa pemanasan NiCr 180 menit, Al 30 menit), VHN (tanpa pemanasan NiCr 240 menit, Al 30 menit), VHN (dengan pemanasan NiCr 60 menit, Al 30 menit), VHN (dengan pemanasan NiCr 120 menit, Al 30 menit), VHN (dengan pemanasan NiCr 180 menit, Al 30 menit), VHN (dengan pemanasan NiCr 240 menit, Al 30 menit), dan komposisi unsur pada lapisan dengan EDX-Pure diperoleh kandungan Al = 82,17 %; Cr = 15,36 % dan Ni = 2,46 %. sedangkan dengan menggunakan EDXoxide diperoleh Al = 46,41 %; Cr = 7,39 % dan Ni = 1,19 %. Kata-kata Kunci : sputtering, nikel-kromiun, aluminium, deposisi lapisan, ST 40 1 Mahasiswa Magister Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta. 2 Dosen Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta 3 Dosen Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta vii

8 Abstract The deposition process of NiCr and Al thin film on ST 40 substrate is done by sputtering technique. In the sputtering technique, the ST 40 substrate is placed on the anode and the NiCr and Al targets are placed at the cathode, nitrogen gas as reactive gas and argon gas as sputter gas. The ST 40 deposition process is carried out with 2 coatings. The first layer with NiCr with variations of time 60, 120, 180, and 240 minutes, then the second layer with Al with 30 minutes time. Then heated at C for 30 minutes. The purpose of this research is to know the effect of NiCr and Al thin layer deposition on ST 40 substance. The experimental result is hardness, micro structure (SEM) and element composition (EDX). The characterization of the hardness value for ST 40 was HVN, while the NiCr thin film for 60 min was VHN, and 279,912 VHN (unheated NiCr 60 min, Al 30 min), VHN (unheated NiCr 120 min, Al 30 min), 231,264 VHN (unheated NiCr 180 min, Al 30 min), 213,888 VHN (unheated NiCr 240 min, Al 30 min), 262,968 VHN (with N-Cr 60 heating minute, Al 30 min), 278,304 VHN (with heating NiCr 120 min, Al 30 min), 231,408 VHN (with heating NiCr 180 min, Al 30 min), 219,288 VHN (with NiCr 240 min heating, Al 30 minutes), and elemental composition on the layer with EDX-Pure obtained Al content = 82.17%; Cr = 15.36% and Ni = 2.46%. whereas by using EDXoxide obtained Al = 46,41%; Cr = 7.39% and Ni = 1.19%. Keywords : sputtering, nikel-cromiun, aluminium, deposition thin film, ST 40 viii

9 KATA PENGANTAR Pertama dan utama penulis panjatkan puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat, hidayah serta inayahnya kepada penulis, sehingga dapat menyelesaikan penelitian dengan judul Analisis Struktur Mikro dan Sifat Mekanis Lapisan NiCr-Al Yang Dibentuk dengan Metode Sputtering Pada Baja ST 40 telah selesai. Untuk itu tidak lupa penulis mengucapakan terima kasih yang tak terhingga kepada yang terhormat : 1. Dr. Sofyan Anif, M.Si, Rektor Universitas Muhammadiyah Surakarta yang telah memberikan kemudahan dan fasilitas belajar di Pascasarjana Universitas Muhammadiyah Surakarta. 2. Prof. Dr. Bambang Sumardjoko, M.Pd. Direktur Program Pascasarjana Universitas Muhammadiyah Surakarta yang telah memberikan fasilitas dalam menyelesaikan pendidikan di Program Pascasarjana Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta. 3. Bapak Tri Widodo Besar Riyadi, S.T, M.Sc. Ph.D. selaku ketua program Studi Teknik Mesin PascaSarjana Universitas Muhammadiyah Surakarta, dan selaku pembimbing I yang telah memberikan pengarahan. Memotivasi, meluangkan waktunya, serta memberikan nasehat kepada peneliti dalam menyelesaikan tesis ini. 4. Bapak Agus Dwi Anggono, ST, M.Eng, Ph.D. selaku pembimbing II yang telah memberikan pengarahan. Memotivasi, meluangkan waktunya, serta memberikan nasehat kepada peneliti dalam menyelesaikan tesis ini. 5. Dosen-dosen di Pascasarjana UMS, dan khusunya kepada Dosendosen di Program Studi Magister Teknik Mesin yang telah memberikan tambahan ilmu bagi penulis. 6. Pimpinan Perpustakaan yang telah memberikan fasilitas dalam studi ke perpustakaan. ix

10 7. Segenap Staf Administrasi Sekolah PascaSarjana Universitas Muhammadiyah Surakarta yang telah membantu kelancaran sehingga selesainya tesis ini. 8. Orang tua, anak, sahabat dan semua pihak yang tidak mungkin penulis sebut satu-persatu yang memberikan masukan, saran dalam penyusuan tesis ini. 9. Rekan-rekan mahasiswa S-2 Program Studi Magister Teknik Mesin UMS, khususnya rekan-rekan Pak Parjo, Pak Lujeng, Pak Hadi, Fani, Yudha, Dwi, Kautzar angkatan ke-2 Teknik Mesin, semoga sukses selalu. Peneliti menyadari bahwa penulisan tesis ini jauh dari sempurna, maka penulis mengharapakan kritik dan saran yang membangun, semoga bermanfaat bagi penulis pribadi, pembaca dan pihak-pihak yang membutuhkan. Penulis x

11 DAFTAR ISI NOTA PEMBIMBING I NOTA PEMBIMBING II.. HALAMAN PERSETUJUAN.. HALAMAN PENGESAHAN. PERNYATAAN KEASLIAN TESIS. ABSTRAK KATA PENGANTAR.. DAFTAR ISI. DAFTAR GAMBAR DAFTAR TABEL ii iii iv v vi vii ix xi xiv xvi BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Perumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian Sistematika Penulisan 4 BAB II LANDASAN TEORI Tinjauan Pustaka Landasan Teori Plasma Lujutan Pijar DC Konsep Dasar Sputtering 9 xi

12 Mekanisme Sputtering Interaksi ion Gas Sputter Dengan Target Energi Ion Gas Sputter Soutter Yeild Sistem Pemvakuman Tingkat Kevakuman Pompa Vakum Heat Treatment Baja Karbon Nikel-Krom Aluminium Kekerasan Vickers SEM/EDX. 21 BAB III METODOLOGI PENELITIAN Tempat Penelitian Alat dan Bahan Alat Penelitian Bahan Penelitian Diagram Alir Penelitian Prosedur Penelitian Studi Pustaka Studi Eksperimen Persiapan Alat dan Bahan Proses Pencucian. 30 xii

13 Proses Sputtering Proses Heat Treatment Pengujian Kekerasan dan Foto Mikro Pengujian SEM/EDX Analisa Data.. 38 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Foto Mikro Permukaan Hasil Pengujuan SEM?EDX Hasil Pengujian Kekerasan Vickers Analisa Data Hasil kekerasan 51 BAB V PENUTUP Kesimpulan Saran. 54 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xiii

14 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Tabung Lucutan Pijar DC 9 Gambar 2.2. Sistem Sputtering 11 Gambar 2.3. Proses Tumbukan Ion Dan Atom Target 11 Gambar 2.4. Prinsip Kerja Pompa Rotari 15 Gambar 2.5. Pompa Difusi Satu Tingkat 16 Gambar 2.8. Sudut Dan Hasil Jejak Piramida Intan 20 Gambar 3.1. Mesin DCSputtering 23 Gambar 3.2. Mesin Furnace 23 Gambar 3.3. Alat Uji Kekerasan (Vickers) 24 Gambar 3.4. Mesin Polish 24 Gambar 3.5. Alat Uji SEM/EDX 25 Gambar 3.6. Amplas 25 Gambar 3.7. Alat Pemolesan 26 Gambar 3.8. PeralatanPencucianSubstrat 26 Gambar 3.9. Wadah Penyimpanan Substrat 26 Gambar Peralatan Pengukuran 27 Gambar Peralatan Safety 27 Gambar Substrat Logam Induk Baja Karbon ST Gambar Target Sputtering 28 Gambar Skema Diagram Alir Penelitian 29 Gambar Proses Peletakan Target Dan Substrat 31 Gambar Proses sputtering 33 xiv

15 Gambar Hasil Pelapisan Sputtering 34 Gambar Substrat Hasil Pemanasan 34 Gambar Proses Pengujian Kekerasan Vickers 35 Gambar Jejak Hasil Penekanan Pengujian Vickers 36 Gambar Layar Alat Uji Vickers 36 Gambar Hasil Mounting 37 Gambar Alat SEM/EDX 37 Gambar 4.1. Foto Mikro Permukaan Logam Induk Baja Karbon ST Gambar 4.2. Foto Mikro Permukaan Lapisan Ni-Cr Pada Baja Karbon 39 dengan Waktu Pendeposisian Selama 60 Menit Gambar 4.3. Foto Mikro Permukaan Lapisan Ni-Cr dan Al Pada Baja 40 Karbon ST 40 Gambar 4.4. Foto Mikro Permukaan Lapisan Ni-Cr dan Al Pada Baja 41 Karbon ST 40 Setelah Perlakuan Pemanasan Dengan Suhu C Gambar 4.5. Foto SEM Dengan Pembesaran 3000x 42 Gambar 4.6. Foto SEM Dengan Pembesaran 5000x 42 Gambar 4.7. Foto SEM Dengan Pembesaran 10000x 43 Gambar 4.8. Foto SEM/EDS Dengan Pembesaran 3000x 44 Gambar 4.9. Grafik Hasil Pengujian EDX-Pure 44 Gambar Grafik Hasil Pengujian EDX-Oxide 45 Gambar Gambar Grafik Kekerasan Rata-Rata Substrat Logam Induk, Lapisan Ni-Cr, Lapisan Ni-Cr Dan Al Dan Hasil Pemanasan Grafik Kekerasan Rata-Rata Lapisan Sputtering Dan Lapisan Sputtering Setelah Pemanasan xv

16 DAFTAR TABEL Tabel 4.1. Hasil EDX-Pure 45 Tabel 4.2. Hasil EDX-Oxide 45 Tabel 4.3. Hasil Kekerasan Logam Induk 46 Tabel 4.4. Hasil Kekerasan Target Ni-Cr 47 Tabel 4.5. Hasil Kekerasan Target Aluminium 47 Tabel 4.6. Hasil Kekerasan Lapisan Ni-Cr Selama 60 Menit 47 Tabel 4.7. Tabel 4.8. Tabel 4.9. Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Hasil Kekerasan Lapisan Ni-Cr Selama 60 Menit Dan Aluminium Selama 30 Menit Hasil Kekerasan Lapisan Ni-Cr Selama 120 Menit Dan Aluminium Selama 30 Menit Hasil Kekerasan Lapisan Ni-Cr Selama 180 Menit Dan Aluminium Selama 30 Menit Hasil Kekerasan Lapisan Ni-Cr Selama 240 Menit Dan Aluminium Selama 30 Menit Hasil Kekerasan Lapisan Ni-Cr Selama 60 Menit Dan Aluminium Selama 30 Menit Dengan Pemanasan Suhu 750ºC Selama 30 Menit Hasil Kekerasan Lapisan Ni-Cr Selama 120 Menit Dan Aluminium Selama 30 Menit Dengan Pemanasan Suhu 750ºC Selama 30 Menit Hasil Kekerasan Lapisan Ni-Cr Selama 180 Menit Dan Aluminium Dengan Pemanasan Suhu 750ºC Selama 30 Menit Hasil Kekerasan Lapisan Ni-Cr Selama 240 Menit Dan Aluminium Dengan Pemanasan Suhu 750ºC Selama 30 Menit xvi