PENGUJIAN SIFAT KETAHANAN OKSIDASI FEAL YANG DIIMPLANTASI ION CERIUM DENGAN TEKNIK SIKLUS TERMAL

Transkripsi

1 PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Y09yakarta, 28 Agustus 2009 PENGUJIAN SIFAT KETAHANAN OKSIDASI FEAL YANG DIIMPLANTASI ION CERIUM DENGAN TEKNIK SIKLUS TERMAL Sumanno,AJ.Sunarto PTAPB-BATAN Yogyawr/a ABSTRAK PENGUJIAN SIFA T KETAHANAN FeAI YANG DIIMPLANTASI ION CERIUM DENGAN TEKNIK SIKLUS TERMAL. Pada pengujian ini digunakan sampel FeAI yang telah diimplantasi den~an ion dopan cerium dengan berbagai variasi dosis ion masing-masing 2,981 x 101 ion/cm2, 5,963 x 1015 ion/cm2 dan 8,945 x 1015 ion/cm2. Pengujian siklus termal ini dilakukan pada suhu pemanasan 850'C selama 5jam dan waktu pendinginan selama 17 jam. Proses ini berfangsung 6 kali siklus termal dan pada setiap pendinginan sampel ditimbang menggunakan alat timbangan elektronik merk AND seri GR 202, untuk mengetahui pembahan berat sampel. Dari data hasil eksperimen diperoleh hasil bahwa ketahanan oksidasi yang terbaik, dicapai pada dosis 5,963 x 1015 ion/cm2, hal ini ditandai dengan tidak mengelupasnya material induk. ABSTRACT TESTING OF FeAL MA TERIAL IMPLANTED WITH CERIUM ION BY THERMAL CYCLE TECHNIQUE. The testing of FeAI sampel implanted with dopan cerium ion for various dose, of x 1015 ion/cm2, x 1015 ion/cm2 and x 1015 ion/cm2. This thermal cycle testing was carried out at the heating temperature 850 C for 5 hours and cooling off time for 17 hours. This process takes place until 6 thermal cycles. For each cooling time the sampel was weighed with electronic scale AND GR 202 to find out the change of sampel weight. From the experiment result it's found that the best oxidation resistance was achieved at the ion dose in order of x 1015 ion/cm2. This fenomena is indicated by the absense of spallation of base material. PENDAHULUAN Pada akan umumnya sangat mudah logam-iogam rusak, karena padaadanya suhu tinggi reaksi yang cepat dengan oksigen dari udara kecuali pada logam-iogam mulia[ll. Untuk menekan kemungkinan terbentuknya oksida yang berlebih dan proses korosi lainnya perlu dikembangkan material yang mampu bertahan pada suhu tinggi. Peningkatan ketahanan oksidasi suatu material memerlukan suatu rekayasa permukaan, karena oksidasi biasanya dimulai dari permukaan material. Metode yang dapat digunakan untuk membentuk lapisan pada permukaan sebagai oksida protektif antara lain, implantasi ion, sputtering atau nitridasi[21. Oksidasi merupakan peristiwa penangkapan atom-atom oksigen sehingga terbentuk lapisan tipis oksida. Oksida sering juga disebut sebagai korosi, dimana korosi merupakan peristiwa pengikisan suatu logam oleh lingkungannya sebagai akibat adanya interaksi antara permukaan logam dengan unsur-unsur yang terkandung dalam udara atau air. Dengan menambahkan unsur paduan tertentu diharapkan ketahanan terhadap oksidasinya dapat meningkat. Pada umumnya bahan yang digunakan untuk rekayasa sudah teroksidasi sedemikian rupa sehingga terbentuk oksida yang melindungi logam di bawahnya. Pada udara kering penangkapan atomatom oksigen bereaksi begitu lamban sehingga oksidasi tidak mendatangkan masalah, sedangkan pad a suhu tinggi bagaimanapun juga ketahanan oksidasi menjadi menurun. 152 ISSN Sumarmo, dkk

2 PROSIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLffi Pusat Teknologi Akselerator don ProsesBahan Ketahanan oksidasi suatu logam dapat ditingkatkan jika oksida yang terbentuk mempunyai sifat yang protektif antara lain!3j, I. Titik cair oksida harus tinggi 2. Antara logam atau paduan dan lapisan oksida harus mempunyai koefisien ekspansi termal yang sarna 3. Lapisan oksida harus mempunyai daya lekat yang kuat untuk mencegah pengelupasan Proses penebalan lapisan oksida tergantung pada suhu dan bahan. Oksida logam yang membentuk lapisan oksida mantap dan tidak mudah menguap akan berlangsung disertai dengan penambahan berat yang bergantung dengan waktu. Bila oksida yang terbentuk mudah menguap maka hilangnya berat juga sejalan dengan waktu. Ketahanan oksidasi dapat ditentukan dengan menimbang berat oksida yang terbentuk sebagai fungsi waktu pemanasan!3]. Pengujian ketahanan oksidasi Pengujian ketahanan oksidasi ini dilakukan setelah proses implantasi ion dan penimbangan berat awal selesai. Oksidasi ini dilakukan pada kondisi siklus termal dengan menggunakan alat pemanas. Sebagai tempat sampel digunakan tabung gelas dari bahan kwarsa yang tahan sampai 1000 C. Dalam pengujian ini beberapa sampel diuji bersama-sama, sehingga yang harus diperhatikan adalah pada saat mengeluarkan sampel dari tempatnya pada saat akan ditimbang jangan sampai tertukar, karena jika tertukar maka data berat sampelnya keliru. TAT A KERJA Bahan yang digunakan : bahan FeAI (80% Fe, 20% AI) yang telah diimplantasi ion Cerium dengan tiga variasi dosis, gas oksigen, plastik klip, kertas tissue. Alat yang digunakan : unit pemanas (furnace), tabung gelas terbuat dari bahan kwarsa, tutup tabung pemanas, desikator yang dapat dihampakan, tabung gas, pinset, regulator gas, selang plastik, timbangan elektronik. Penimbangan berat Penimbangan berat dilakukan dalam dua tahap yaitu setelah material diimplantasi dan setelah dilakukan uji oksidasi siklus termal. Hal ini untuk mengetahui perubahan berat material sebagai akibat proses oksidasi dan terjadinya siklus termal. Penimbangan berat dilakukan dengan menggunakan timbangan digital elektronik merk AND Seri OR 202, dengan beban minimum 0,1 mg dan beban masksimum 210 gram. Foto timbangan elektronik tersebut disajikan pada Oambar 1. Gambar 1. Timbangan digital elektronik merk AND seri GR 202 Gambar 2. Alat pemanas Pengujian ketahanan oksidasi dilakukan dengan mengalirkan oksigen dengan laju aliran 4,17 cc/menit, dengan tekanan 1 bar ke dalam tabung pemanas selama 6 siklus termal, dimana pada setiap siklus termal adalah 5 jam pemanasan pada suhu 850 C dan pendinginan selama 17 jam. Adapun langkah dalam pelaksanaan uji oksidasi sebagai berikut : 1. Meletakkan sampel FeAI pada tempat sampel dengan cara diletakkan secara berjajar di dalam tabung gelas kwarsa 2. Menghidupkan alat pemanas 3. Menaikkan suhu sampai mencapai suhu yang dikehendaki yaitu 850 C dengan cara menaikkan tegangan pada regulator 4. Setelah berlangsung lebih kurang 2 jam suhu pemanasan mencapai 850 C kemudian sampel FeAI dimasukkan ke dalam tabung pemanas 5. Mengalirkan gas oksigen ke dalam tabung pemanas dengan laju aliran 4,17 cc/menit dengan tekanan 1 mbar dengan cara mengatur aliran gas menggunakan kran pengatur 6. Setelah waktu oksidasi berlangsung selama 5 jam, suhu pemanasan diturunkan dengan cara menurunkan tegangan regulator sampai pada 0 kemudian unit pemanas dimatikan. Sumarmo, dkk. ISSN

3 PENELITlAN DAN PENGELOLAAN PERANGKA T NUKLIR Vogyakarta, 28 Agustus Menghentikan aliran gas oksigen dengan cara menutup kran pada tabung oksigen, sehingga pendinginan material dilakukan secara alami 8. Setelah 17 jam pendinginan, material diambil kemudian ditimbang untuk mengetahui perubahan beratnya. 9. Dengan cara yang sama diulangi dari tahap I - 8 sampai enam siklus terma\. Foto alat pemanas yang digunakan untuk menguji ketahanan oksidasi disajikan pada Gambar 2. Analisa data Analisa 42 termal data impian dalam ionlcm2 Siklus uji oksidasi ini dilakukan dengan menghitung perubahan berat, baik pertambahan berat atau pengurangan berat akibat adanya pengujian ketahanan oksidasi siklus terma\. Perubahan berat tersebut diperoleh dari selisih antara berat material FeAI yang diimplantasi dengan ion cerium ataupun yang tidak diimplantasi setelah mengalami oksidasi siklus termal dengan berat material sebelum mengalami oksidasi siklus terma\. Perubahan berat material tersebut dapat ditulis dengan persamaan : t:.w=wt-wo dengan t:.w : perubahan berat material WI : berat material 1 setelah mengalami pengujian siklus termal implan ionlcm2 Siklus Wo : berat material sebelum mengalami pengujian siklus termal Berdasarkan data perubahan berat tersebut dapat dibuat grafik hubungan antara perubahan berat dengan waktu siklus termal, sehingga dapat diketahui tingkat ketahanan oksidasi dari material FeAI, baik yang diimplantasi dengan ion cerium maupun tanpa diimplantasi. FeAI mengalami 30 jam pemanasan dan 102 jam pendinginan. Data hasil pengujian ketahanan oksidasi pada material FeAI yang telah diimplantasi ion cerium dengan berbagai dosis maupun yang tidak diimplantasi disajikan pada Tabel I. Sedangkan perubahan berat sampel setelah mengalami pengujian ketahanan oksidasi disajikan pada Tabel 2. Tabel I. Data berat sampel sebelum dan sesudah pengujian Non Dosis 1,5435 1,5443 1,5434 1,5433 2,9819 2,1841 2,1838 2,1839 2,1836 2,1835 2,0581 5,9638 2, ,0578 2,0570 2,0580 8, ionlcm2 Dosis 2,1364 2,1359 2,1358 2,1357 x x Berat sampel (J r) Tabel 2. Data perubahan berat sampel sebelum dan sesudah pengujian Non Dosis -0,0008-0,0009-0,0010 2, ,0006-0,0005-0, ,0003-0,0007 I0 5,9638 8, ionlcm2 Dosis 0, xPerubahan x berat sampel :gr) HASIL DAN PEMBAHASAN Pengujian ketahanan oksidasi siklus termal Proses pengujian ketahanan oksidasi pada material FeAI yang diimplantasi dengan elemen reaktif ion-ion cerium dapat membentuk oksida cerium. Ketahanan oksidasi meningkat apabila laju oksidasinya rendah serta tidak mengalami pengelupasan sehingga umur pemakaian lebih lama. Pengujian ketahanan oksidasi siklus termal dilakukan dengan memanaskan sampel FeAI pada suhu 850 C dan dialiri gas oksigen dengan laju aliran sebesar 4,17 cc/menit dengan tekanan I bar (tekanan dari regulator) selama 5 jam, kemudian didinginkan sampai pada suhu kamar selama 17 jam. Pengujian ketahanan oksidasi ini dilakukan sebanyak 6 kali siklus termal yang berartj material Contoh cara perhitungan perubahan berat sampel yang tidak diimplantasi setelah mengalami pengujian ketahanan oksidasi pada siklus yang ke 1 dengan menggunakan persamaan I sebagai berikut ; Berat sampel sebelum diuji 1,5443 gram, berat sampel setelah menga1ami pengujian 1,5435 gram, jadi perubahan berat sebesar : 1,5443 gram - 1,5435 gram = 0,0008 grarm. Demikian pula perubahan berat sampel yang diimplantasi dengan dosis 2,9819 x 1015 ion/cm2 yang telah mengalami uji ketahanan oksidasi pada siklus ke I sebagai berikut ; Berat sampel sebelum diuji 2,1841 gram, berat setelah diuji 2,1838 gram, sehingga perubahan berat sampel sebesar -0,0003 gram. Dengan cara yang sama dapat dihitung perubahan berat sampel yang diimplantasi maupun tanpa implantasi dari siklus I 154 ISSN Sumarmo, dkk

4 PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKA T NUKLIR sampai pada siklus ke 6. Dari perubahan tersebut dapat dibuat grafik hubungan antara perubahan be rat dengan waktu siklus termal seperti disajikan pad a Gambar 3. Gambar 3. Sifat ketahanan oksidasi FeAI yang diimplantasi dengan ion cerium dan non implantasi Keterangan : Ce 1 = implantasi ion cerium pada dosis 1 (2,9819 x Ce2 = implantasi ion cerium pada dosis 2 (5,9638 x Ce3 = implantasi ion cerium pada dosis 3 (8,9458 x Pengaruh implantasi ion cerium terhadap sifat ketahanan oksidasi FeAI Penambahan elemen reaktif cerium terhadap material FeAI untuk beberapa variasi dosis memberikan hasil seperti disajikan pada Gambar 3. Pada Gambar 3 menunjukkan pertumbuhan lapisan oksida yang terbentuk pada dosis 5,963 x ion/cm2 adalah fluktuatif. Namun penambahan pada dosis ini merupakan dosis yang paling baik jika dibandingkan dengan dosis 2,981 x ion/cm2 dan 8,945 x ionlcm2 dimana pada kedua dosis terse but oksida cerium yang terbentuk tidak stabil dan cenderung terjadi pengelupasan. Pada dosis 5,963 x ionlcm2 terlihat adanya pembentukan lapisan oksida cerium pada siklus termal ke 1, tetapi pada siklus termal ke 2 terjadi pengelupasan. Pembentukan lapisan oksida cerium kembali pada siklus ke 4 dan ke 6, meskipun demikian pengelupasan kembali terjadi tidak sampai pada material induknya karena pengelupasan terjadi diikuti dengan terbentuknya lapisan oksida yang baru. Pada penambahan cerium dengan dosis 2,981 x ion/cm2 terjadi pengelupasan pada siklus ke I dan kembali terbentuk pad a siklus termal ke 2. Pengelupasan kembali terjadi pad a siklus ke 3 dan setelah pengelupasan terbentuk lagi lapisan oksida cerium sampai pada siklus ke 5, tetapi pada siklus ke 6 kembali terjadi pengelupasan. Secara umum bahwa terjadinya pengelupasan lebih banyak dari pada terbentuknya lapisan oksida cerium, yang mengakibatkan pengelupasan sampai pada material induknya. Pad a penambahan ion cerium pada dosis 8,9458 x ion/cm2 terjadi pengelupasan pada siklus termal ke I dan terbentuk lapisan oksida cerium kembali pada siklus termal ke 2. Pada siklus termal berikutnya kembali terjadi pengelupasan lapisan oksida. Pada siklus termal ke 4 sampai ke 6 cenderung kembali terjadi pengelupasan. Pada penambahan ion cerium pada dosis 8,9458 x ionlcm2 secara umum pengelupasan justru semakin banyak hingga sampai pada material induknya. Pada Gambar 3 terlihat bahwa pada material FeAI yang tanpa diimplantasi setelah mengalami pengujian ketahanan oksidasi, mulai dari siklus termal ke 1 sampai ke 4 terjadi pengelupasan tanpa diikuti dengan terbentuknya lapisan oksida yang baru. Pada siklus termal ke 5 kembali terbentuk lapisan oksida tetapi pada siklus termal ke 6 kembali terjadi pengelupasan. KESIMPULAN Dari data percobaan yang dilakukan diperoleh beberapa kesimpulan sebagai berikut : I. Teknik siklus termal dapat digunakan sebagai metode uji ketahanan oksidasi sampel FeAI 2. Penambahan ion cerium dengan implantasi ion pada material FeAI pada dosis tertentu memberikan konstribusi yang lebih baik dalam meningkatkan ketahanan oksidasi 3. Dari tiga variasi dosis yaitu dosis 2,9819 x 1015 ionlcm2, dosis 5,9638 x 1015 ionlcm2 dan dosis 8,9458 x 1015 ionlcm2 dalam uji ketahanan oksidasi material FeAI pada suhu tinggi, dosis optimum penambahan ion cerium pada material FeAI adalah 5,9638 x 1015 ionlcm2 UCAPAN TERIMA KASIH Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Drs. Tjipto Sujitno, MT, Bapak Sayono, ST dan Emy Mulyani, ST yang telah membimbing penulis dan membantu penulis sehingga maka:ah ini dapat diselesaikan. DAFTAR PUSTAKA I. SUP ARDI, R., Korosi, Tarsito, Bandung CAUDRON, E., "Initial Oxidation Stage Qf Cerium Implanted Pure Iron at 7nnce by In Situ High Temperature X-ray Diffraction. Applied Physics" The European Physical Journal 3. TRETHEWEY, K.R. dan CHAMBERLAIN, "Korosi Untuk Mahasiswa dan Rekayasawan ". Gramedia Pustaka Utama, Jakarta 1991 Sumarmo, dkk. ISSN

5 PROSIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKA T NUKLffi Pusot Teknologi Akselerotor don Proses Bahan TANYA JAWAB Emy Mulyani }- Sam pel dipanaskan pad a suhu 850 C selama 5 jam kemudian didinginkan selama 17 jam. Kapan memasukkan sampel ke dalam pemanas, apakah pada saat alat pemanas mulai dihidupkan atau apakah setelah alat pemanas mencapai suhu 850 C? Sumarmo ~ Waktll memasllkkan sampel ke dalam alat pemanas yaitll pada.mat sllllll alat pemanas slldah mencapai 850 'C. 156 ISSN Sumarmo, dkk