PRO SIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR. Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan. Yogyakarta, 28 Agustus 2008

Transkripsi

1 PENGARUH NITRlDASI ION TERHADAP KELELAHAN (FATIGUE) PAD A BAJA ST40 Sukidi, Slamet Riyadi, Hen Sudarmato Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan ABSTRAK PENGARUH NITRIDASI ION TERHADAP KELELAHAN (FA TIGUE) PADA BAJA STAD. Telah dilakukan nitridasi ion pada material baja ST 40 dan pengujian sifat kelelahan (fatigue). Baja ST 40 tennasuk kelompok material low alloy steel. Dengan dilakukan nitridasi ion pada baja ST40 untuk mendapatkan peningkatan sifat mekanik terutama sifat kelelahan. Sedangkan pengujian fatigue sendiri untuk mengetahui seberapa besar pengaruh peningkatan sifat kelelahannya. Fatigue merupakan salah satu sifat mekanik dari suatu material yang harus dipertimbangkan dalam mendisain suatu komponen/alat. Proses nitridasi dilakukan selama 5,5 jam, suhu 525'C pada tekanan 1,2 mbar diperoleh peningkatan sifat kelelahannya dari siklus menjadi siklus, ini menunjukkan bahwa setelah dilakukan nitridasi sifat kelelahanya meningkat hampir 2 kali. ABSTRACT THE INFLUENCE OF ION NITRIDA TION TO THE FA TIGUE OF ST-40 STEEL. Ion nitridation in St-40 steel material and fatigue test have been done. ST-40 steel includes part of low alloy steel material. Ion nitridation in ST-40 steel was done to obtained the increment of mechanical characteristic from a material that must be considered to design components or tools. Nitridation process was done for 5.5 hours, 525 C and 1.2 mbar. From this process is obtained the increment of its fatigue characteristic from 254,400 cycles become 502,000 cycles. It shows that magnitude of fatigue characteristic increase become double after nitridation process. PENDAHULUAN Biji besi yang merupakan hasil tam bang dilebur dalam dapur tinggi untuk mendapatkan besi mentah (pig iron). Besi mentah adalah bahan teknik yang mempunyai kandungan besi (Fe), karbon (C) dan kandungan yang lain seperti Nikel (Ni) molybdenum (Mo) Mangan (Mn), Silicon (Si), belerang (S), Vanadium (V), Cromium (Cr), Pospor (P) dan lain-lain. Untuk mendapatkan baja dilakukan serangkaian proses pengolahan. Proses pembuatan baja dapat dilakukan dalam konverter. Pembuatan baja bertujuan untuk mengurangi unsurun sur yang terdapat dalam besi mentah dan menambahkan unsur tertentu sesuai dengan keinginan yang akan dikehendaki. Ada dua macam proses pemb.:rsih:m dalam konventer yaitu asam dan basa. Proses as am dilakukan untuk mengurangi kadar belerang, sedang proses bas a dilakukan untuk mengurangi kandungan posphor. Baja paduan (Alloy,)'teel) adalah merupakan baja yang diperoleh dari penambahan unsur tertentu untuk merubah sifat dari b~a karbon [I] Beberapa sifat mekanik baja diantaranya adalah keras (hardness), ulet, Ielah (fatigue) dan lain-lain. Kelelahan adalah suatu fenomena perpatahan yang berbahaya yang terjadi pada bahan teknik akibat suatu siklus proses pembebanan bertluktuasi yang dikenakan pada bahan. Pada makalah ini dibahas hasil pengujian fatigue terhadap bahan yang telah dilakukan proses nitridasi dibandingkan dengan bahan yang tanpa nitridasi. Diharapkan dari hasil uji menunjukkan bahan yang telah dinitridasi akan lebih baik dari bahan tanpa dinitridasi. DASAR TEORI Nitridasi merupakan salah satu jenisferritic thermochemical surface treatment. Yang merupakan salah satu cara untuk meningkatkan sifat mekanik material logam pada permukaan dengan memasukkan nitrogen ke dalam permukaan logam 164 ISSN Sukidi, dkk.

2 PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKA T NUKLIR -1 seeara difusi. Jika yang dinitridasi adalah besi, maka seeara umum akan terbentuk lapisan nitrida besi (Fe-N) pad a permukaan yang akan mempunyai sifat sang at keras, sehingga membentuk lapisan keras pad a permukaan besi. [katan Fe-N yang akan dihasilkan pad a proses nitridasi ini akan dipengaruhi oleh jumlah atom nitrogen seperti pada diagram Fe-N yang disajikan pad a Gambar.l. Uomu: P,runt ~lt"oi~" ~.., " ~t " E j' - ~... Ln -~"_N ~,.- atom (vacancy).dan energi yang eukup untuk memutuskan ikatan an tar atom, seperti ditunjukkan pada Gambar 2. Interstitial atom diffusing illlo interstitial vacancy Gambar 2. Gerakan atom nitrogen mengisi ruang kosong TAT A KERJA, r,... IftcieM Pcrnnl ~ltrotfn Gambar.l. Diagram Fase Fe-N [2] [on-ion nitrogen dideposisikan pada permukaan yang akan ditingkatkan sifat mekaniknya agar terjadi difusi sehingga membentuk lapisan nitrida. Proses nitridasi plasma/ion dapat dilakukan pada tekanan sekitar 0,2 mbar - 8 mbar dan temperatur C, kondisi operasi dipengaruhi oleh komposisi gas yang digunakan [3] Pada saat proses nitridasi plasma/ion terjadi proses penguraian nitrogen dan juga proses ionisasi. Glow discharge yang terjadi disebabkan oleh emisi foton yang kembali menjadi atom e' -). N2 = N+ + N + 2e' Ion nitrogen yang terbentuk akan bergerak menuju katoda dan akan menumbuk benda kerja yang terdapat pada katoda yang dikarenakan adanya beda potensial, selanjutnya atom nitrogen akan terdeposisi dan berdifusi ke dalam permukaan benda kerja. Proses nitridasi dilakukan pada suhu di bawah 590 C (suhu ferritic) sehingga tidak terjadi perubahan fase setelah proses nitridasi. Karena proses nitridasi dilakukan pada suhu rendah (di bawah temperatur austenit) dan tidak dilakukan proses quenching, maka kemungkinan timbulnya distorsi pad a benda kerja yang dinitridasi akan lebih kecil dibandingkan dengan benda kerja hasil proses carburizing. Mekanisme difusi seeara Interstitial diffusion dengan gerakan atom-atom tersebut terjadi dengan syarat ada ruang kosong di an tara atom- ",. Alat adalah: Alat yang digunakan dalam penelitian ini I. Gergaji pemotong dan tanggem untuk pembuatan spesimen. 2. Mesin bubut untuk pembuatan spesimen. 3. Gerinda untuk meratakan permukaan spesimen. 4. Alat poles merek Karl Kolb. 5. A[at Nitridasi [on buatan PT APB-BA TAN Yogyakarta dengan menggunakan gas N2 untuk proses Nitridasi. 6. Alat Uji Fatigue dengan merek Shimadzu buatan Jepang di Laboratorium Bahan Teknik JTMI-FT UGM. Bahan Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini meliputi: Bahan baja ST40 (kategori low alloy steel), Kertas amplas 120, 200, 240, 400, 600, 1000, 1500 dan 2000.mesh, Autosol, Kain poles, Alkohol 96%, Aquades. Spesimen pad a pene[itian ini dibuat sesuzi dengan standar pengujian fatigue, Pembuatan spesimen untuk pengujian fatigue dengan menggunakan mesin bubut mengaeu pad a standar J[S Z Spesimen uji fatigue dibuat sebanyak 28 buah. Proses nitridasi Mesin nitridasi terdiri dari beberapa komponen antara lain: tabung plasma, pompa vakum, sumber tegangan tinggi DC, gas nitrogen, dan alat ukur. I. Tabung plasma Di dalam tabung plasma terdapat anoda dan katoda di mana jarak an tara anoda dan katoda sekitar 13 em. 2. Pompa Vakum Sukidi, dkk. ISSN

3 Yogvakarta, 28 Agustus 2008 Pompa vakum digunakan untuk memvakumkan tabung plasma sampai pada kevakuman orde 10-3mbar. 3. Sumber Tegangan DC Sumber tegangan DC digunakan untuk memberikan beda potensial an tara anoda dan katoda. 4. Gas Nitrogen sebagai gas yang dideposisikan 5. Alat ukur (amperemeter, voltmeter, termometer dan alat ukur vakum) digunakan untuk monitoring pada saat proses Adapun parameter yang digunakan pada proses nitridasi ditunjukkan pada Tabel.l. sesuai dengan tekanan proses yang diinginkan. Setelah itu diberikan tegangan hingga terjadi lucutan plasma (glow discharge) dan tegangan diatur hingga mencapai suhu yang diinginkan. Lama waktu proses nitridasi sesuai dengan parameter yang telah ditentukan. Diagram Alir Pengerjaan Maters! Law Aik:Jy Steet [ST 40) 525 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0 5,5 N2 Tanpa nitridasi Skala 1 1 Gambar.3. Spesimen Uji Fatigue Pengujian Fadgue Spesimen sebelum dipreparasi dilakukan uji komposisi. Spesimen yang telah dipreparasi dan akan dinitridasi hams dalam keadaan bersih dari kotoran dan bebas dari lemak. Untuk itu terlebih dahulu spesimen dibersihkan dengan menggunakan alkohol (96%). Selanjutnya spesimen yang sudah bersih dimasukkan dalam tabung plasma. Dalam setiap variasi proses (parameter) dimasukkan 8 spesimen uji fatigue. Proses dimulai dengan memvakumkan tabung plasma hingga tekanan 10-2 mbar, dilanjutkan dengan memasukkan gas nitrogen T acun'~ gas nitrogen Tabling plasma Mete! H!'gangan suhu, katode Mete! vakum Pen,~atut teg3n-~3f! Pompa va kum tmari pengatur gas ffiasuk Gambar 4. Fota mesin nitridasi ion 166 ISSN Sukidi, dkk.

4 Pengujian fatigue dilakukan di Laboratorium Bahan Teknik JTMI-FT UGM dengan menggunakan mesin uji fatigue Rotary dengan merek Shimadzu buatan Jepang seperti pada Gambar Ulangi langkah I-II untuk melakukan pengujian spesimen yang lain. Hasil pengujian fatigue berupa jumlah siklus hingga material tersebut mengalami patah. Perbandingan jumlah siklus antara rmv material dengan material yang telah dinitridasi akan ditampilkan dengan grafik S-N. HASIL DAN PEMBAHASAN Gambar 5. Mesin Uji Fatigue Rotary Bending Langkah-Iangkah yang dilakukan dalam pengujianfatigue, yaitu: I. Menyiapkan spesimen seperti pada ketentuan yang telah ditetapkan pada preparasi. Spesimen dalam keadaan sudah dipoles halus dan atau telah dinitridasi. 2. Menyiapkan alat-alat pendukung yang dibutuhkan dalam uji fatigue antara lain, kunci pembuka cekam dan bandul sebagai beban. 3. Pengunci beban terlebih dahulu dinaikkan ke atas agar tidak membebani saat proses pemasangan. Kemudian pilih bandul sesuai dengan pembebanan yang diinginkan. 4. Cekam pada mesin terlebih dahulu dilepas, kemudian spesimen dipasang pada cekam sebelah kiri. 5. Cekam sebelah kiri selanjutnya dipasang pada mesin. 6. Pasang cekam sebelah kanan pada specimen, selanjutnya cekam sebelah kanan juga dipasang pada mesin, kemudian kedua cekam dikunci dengan pengunci cekam. 7. Setelah kedua cekam dipastikan terkunci dengan baik, hidupkan air sebagai pendingin mesin. 8. Pastikan semua kunci pendukung sudah terlepas dari mesin agar ticak mengganggu mesin pada saat beroperasi. 9. Tekan tombol ON pada mesin. 10. Mulailah pembebanan dengan menurunkan beban secara perlahan tanpa ada beban kejut. II. Apabila spesimen telah patah, maka mesin akan mati secara otomatis dan lepaskan kedua cekam untuk mengambil spesimen. 12.Jumlah putaran sampai spesimen patah dapat dilihat pada mesin. Dalam penelitian ini pengujian kelelahan dilakukan untuk mengetahui umur lelah dari material sebelum dan sesudah nitridasi serta mengetahui pengaruh tekanan nitridasi terhadap kelelahan. Hasil dari pengujian ini disajikan dengan menggunakan kurva S-N seperti ditunjukkan pada Gambar 6. ~'.', - J"~ E - i'''' '.... :::., :e:c Ii.-" " j I ~ I, KUfYa S-H H N (Siktusj D Gambar 6 Kurva S-N Hasil Pengujian Lelah Berdasarkan hasil pengujian (Gambar 6) menunjukkan bahwa kurva dari pengujian spesimen yang tidak dinitridasi berada di bawah kurva dari pengujian spesimen yang dinitridasi, baik pada tekanan 1,6 mbar maupun 1,8 mbar. Pada tegangan 0,60- (34,83 kg/mm2) rmv material mencapai siklus patah sebesar siklus. Sedangkan spesimen yang dinitridasi pada tekanan 1,6 mbar dan 1,8 mbar mencapai siklus patah sebesar siklus dan siklus. Untuk mengamati siklus patah bahan yang dinitridasi dengan variasi tekanan yang telah dilakukan dengan pengujian kelelahan pada tegangan 0,50-(29,03 kg/mm2) hasilnya ditunjukkan pada Gambar 7. Grafik pada Gambar 7 menunjukkan bahwa jumlah siklus patah dan spesimen yang dinitridasi mengalami peningkatan dan raw material yaitu pada tekanan nitridasi 1,2 mbar, 1,4 mbar, 1,6 mbar dan 1,8 mbar kemudian mulai mengalami penurunan pada tekanan 2,0 mbar. Fenomena yang terjadi pada pengujian lelah justru mengalami penurunan pada tekanan 2,0 mbar. Hal ini membuktikan bahwa tekanan nitridasi 2,0 mbar telah melebihi dosis optimal yang diterima oleh bahan sehingga menyebabkan terjadinya t Sukidi, dkk. ISSN

5 Vogyakarta, 29 Agustus 2009 ~-~... penumpukan ion-ion nitrogen pada permukaan bahan..-'- /' eoo,ooo I ~ ~ eoo.aao :- 500, j /' \,<6~ \ \ - 4:1g.800 ;""94a.:70. PtmLoIl1 Gambar 7. Grafik Hubungan Jumlah Siklus vs Tekanan Pada Pengujian Lelah 0,50- Hasil penampang patah spesimen uji lelah juga menunjukkan adanya karakteristik patah lelah, yaitu seperti pembentukan retak awal (initial crack), daerah perambatan retak (beach mark), dan daerah patah tiba-tibalstatis (final fractrure). Penampang patah hasil pengujian lelah dapat dilihat pada Gambar 8. Pada gambar 8 dapat dilihat bahwa pada awal patah terlihat sepesimen yang dilakukan uji dengan pembebanan mulai terlihat retak patah yang dimulai dari tepi (permukaan) dan secara pelanpelan merambat kedalam dan semakin meluas dan kedalam pada tam pang lintang dan pada akhirnya terjadi patah. 1. Pada material yang tanpa dinitridasi setelah dilakukan ujifatigue pada pembebanan 0,6a = 34,83 kg/mm2 hasilnya menunjukkan bahwa sampai pada siklus material terjadi patah. 2. Pad a material yang dinitridasi setelah dilakukan uji fatigue pada pembebanan 0,6a = 34,83 kg/mm2 patah lelahnya terjadi pada siklus Dari data hasil uji fatigue dapat dikatakan bahwa material yang dinitridasi ketahanan lelahnya meningkat hingga hampir 2 kali. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis pada kesempatan Inl mengucapakan banyak terima kasih kepada Bp Ir Suprapto yang telah banyak membimbing dan mengarahakan, sehingga makalah ini dapat diselesaikan. DAFTAR PUSTAKA 1. SURDlA, T., SAITO, S., 1992, Pengetahuan Bahan Teknik, Pradya Paramita, Jakarta 2. SINHA, A.K., 2003, Physical Metallurgy Handbook, McGraw-Hili, New York 3. SUPRAPTO, SUJITNO, T., SAYOND, 2007, Uji Fungsi Sistem Nitridasi Ion untuk Perlakuan Permukaan, PT APB-BA TAN, Yogyakarta ll1qh.-\khir T~kananfliIDdaS!. Rawma!ena! S4a"::,~",.t S'ldus patah: PaubA""l! Tekana!1r!!tfioasl 1.2{mban. 3r;:h.V":T~ Siklus patah Gambar 8. Penampang lintang patahan KESIMPULAN Setelah dilakukan serangkaian proses nitridasi dan uji fatigue pada material b~a ST-40 dapat disimpulkan sebagai berikut ; TANYA JAWAB Riyadi ~ Berapa suhu yang optimum untuk nitridasi? Sukidi ~ Tergantung dari material yang dinitridasi dan untuk baja ST40 adalah sekitar 5100C sampai dengan 535 C. 168 ISSN Sukidi, dkk.