UJI VAKUM BEJANA NITRIDASI PLASMA

Transkripsi

1 UJI VAKUM BEJANA NITRIDASI PLASMA Sukidi, Suhartono -BATAN, Babarsari Yogyakarta skd_5633@yahoo.co.id ABSTRAK UJI VAKUM BEJANA NITRIDASI PLASMA. Telah dilakukan uji vakum 2 bejana nitridasi plasma. Proses nitridasi plasma hanya dapat dilakukan di dalam ruang vakum. Bejana yang di uji akan digunakan sebagai ruang vakum nitridasi, sehingga bejana ini harus mampu vakum. Uji vakum dimaksudkan untuk mengetahui apakah bejana mampu vakum sampai pada orde 10-3 mbar atau tidak. Untuk mengetahui tingkat kevakumanya, udara/gas yang ada didalam bejana dikeluarkan dengan menggunakan pompa. Pompa yang digunakan adalah pompa rotary. Pompa rotari ini mempunyai tingkat kevakuman 10-4 mbar. Hasil uji masing-masing bejana adalah sebagai berikut: untuk bejana satu mampu vakum sampai mbar dan bejana dua mampu vakum mbar. Dengan hasil uji seperti tersebut diatas maka kedua bejana bisa digunakan untuk ruang vakum nitridasi, ABSTRACT TEST FOR PLASMA NITRIDING VACUUM CHAMBER. The test for two plasma nitriding vacuum chambers, has been done. Plasma nitriding process just worked in vacuum space. The tested chamber will be used as plasma nitriding vacuum space. This vacuum test means to know how much of vacuum rate: 10-3 mbar order or not. Gasses in chamber were pushed out using pump to know vacuum rate. The used pump was rotary pump. This rotary pump has 10-4 mbar of vacuum rate. The vacuum test result for two chambers are 5 x 10-3 mbar of first chamber and 8 x 10-3 mbar of second chamber. The test result shows that both of chamber scan be used for plasma nitriding vacuum space. PENDAHULUAN alam rangka menunjang program D pengembangan Iptek nuklir dalam industri, PTAPB-BATAN Yogyakarta melakukan beberapa kegiatan. Salah satu kegiatannya adalah rancangbangun perangkat nitridasi plasma dengan double chamber (bejana). Dalam tahapan ini pembuatan, komponen bejana telah selesai dan telah di konstruksi. Proses nitridasi hanya dapat dilakukan di dalam ruang vakum. Untuk itu bejana yang telah di konstruksi dan disiapkan untuk ruang nitridasi harus dilakukan uji vakum. Uji vakum dimaksudkan untuk mengetahui tingkat kevakuman dari bejana. Uji vakum berkaitan dengan beban gas. Beban gas meliputi kebocoran, permeasi, pelepasan gas (outgasing), dan penguapan. Untuk pemompaan awal beban pompa ditentukan oleh volume gas yang ada di dalam ruang chamber (bejana), sedangkan beban gas setelah pemompaan hingga mencapai kondisi mantap (steady state), tergantung dari kebocoran dan (outgasing) yang dilepaskan oleh dindingdinding chamber. Untuk mencapai tingkat kevakuman akhir yang optimum (10-3 mbar), maka harus dapat mengatasi beban-beban gas tersebut. Kecepatan dan kemampuan optimum pompa akan mempengaruhi lama waktu pemompaan dan hasil kevakuman akhir yang dapat dicapai. Diharapkan hasil uji vakum bejana ini bisa mencapai orde 10-3 mbar. Untuk mencapai kevakuman 10-3 mbar dapat dilakukan cukup dengan menggunakan Buku I hal 130 ISSN Sukidi, dkk

2 pompa rotari yang mempunyai tingkat kevakuman sampai 10-4 mbar. DASAR TEORI Ada beberapa jenis beban gas yang mempengaruhi kevakuman di dalam ruang vakum, beban tersebut harus dikeluarkan dari dalam sistem vakum (chamber). Pada Gambar 1, ditunjukkan beberapa jenis beban gas. Untuk mencapai kevakuman orde 10-3 mbar harus dapat mengatasi beban gas tersebut. Secara teori untuk mencapai kevakuman 10-3 mbar dapat dicapai dengan menggunakan satu jenis pompa yaitu pompa rotari. Pompa rotari sebagai pompa vakum rendah, kemampuan vakum pompa rotari bisa mencapai 10-4 mbar. Gambar 1. Beberapa jenis beban gas pada sistem vakum BEBAN GAS AKIBAT KEBOCORAN Kebocoran pada chamber terjadi pada sambungan antara komponen satu dengan komponen lainnya. Sambungan komponen ini dibedakan menjadi 2 bagian yaitu sambungan tidak dapat dilepas dan sambungan dapat dilepas. Sambungan tidak dapat dilepas yaitu sambungan dengan las dan brazing. Pada sambungan ini kebocoran yang terjadi sangat sulit ditentukan karena tergantung dari kualitas sambungan tersebut. Untuk sambungan dapat dilepas yaitu sambungan dengan seal viton seperti ditunjukkan pada Gambar 2. Gambar 2 : Sambungan dengan perapat viton Viton yang digunakan sebagai perapat tersebut akan mengalami deformasi elastis, sehingga jika sambungan dilepas bentuk tersebut akan kembali ke bentuk semula. Dengan demikian perapat viton dapat digunakan berulang-ulang BEBAN GAS AKIBAT PELEPASAN GAS (OUTGASSING ) Gas yang disebabkan oleh adanya difusi dan desorpsi disebut pelepasan gas (outgassing). Desorpsi terjadi jika suatu molekul/atom gas menempel pada permukaan tetapi tidak sampai masuk dalam permukaan, yang selanjutnya jika divakumkan molekul/atom gas tersebut lepas dari permukaan dan memberikan sumbangan gas dalam sistem vakum. PROSES NITRIDASI Proses nitridasi plasma adalah proses penambahan unsur nitrogen ke dalam material logam yang dilakukan di dalam ruang vakum. Dengan cara memberikan beda tegangan antara anode dan katode dan memasukkan gas nitrogen ke dalam ruang nitridasi (vakum) akan terjadi plasma. Ion-ion nitrogen yang terbentuk pada plasma akan menumbuk material yang dinitridasi, dengan adanya beda tegangan antara anode dan katode. Kedalaman penetrasi atom nitrogen tergantung dari energy (beda tegangan anodekatode) dan suhu nitridasi. Suhu nitridasi terjadi sekitar 4600C 5000C. Proses nitridasi seperti ditunjukkan pada Gambar 3 yaitu atom-atom nitrogen masuk ke ruang kosong pada atom material yang dinitridasi[1]. Gambar 3. Gerakan atom nitrogen mengisi ruang kosong Sukidi, dkk. ISSN Buku I hal 131

3 TATA KERJA Telah dilakukan pembuatan dua unit bejana reaktor plasma nitridasi. masing-masing unit dilengkapi dengan saluran ke pompa vakum, saluran gas nitrogen, sambungan tegangan tinggi DC, sambungan termokopel pengukur suhu, dan ampermeter pengukur arus. Bejana yang telah dikonstruksi, diinstal pada kerangka penyangga Gambar 4. Kerangka penyangga dibuat dari bahan baja siku ( )mm. Proses nitridasi dapat dilakukan setelah di dalam ruang bejana mencapai vakum minimal mbar. [2,3] Berdasarkan teori kevakuman ini sangat penting, karena semakin tinggi kevakuman akan semakin baik untuk proses nitridasi. Pada vakum tinggi kandungan molekul-molekul gas sisa didalam ruang nitridasi semakin sedikit. Ini berarti gas nitrogen yang dimasukkan ke dalam bejana akan semakin mendekati kemurnian. METODOLOGI PENGUJIAN Untuk melakukan uji fungsi perangkat nitridasi dalam hal ini adalah uji vakum bejana nitridasi plasma terhadap vakum. a. Menyiapkan Komponen dan Alat. Sebelum dilakukan uji fungsi vakum, dilakukan instalasi terlebih dahulu yaitu komponen-komponen bejana nitridasi plasma dan kelengkapannya. Komponen-komponen tersebut adalah flange bawah sebagai base plate, flange atas sebagai tutup atas, dan beberapa below sebagai saluran vakum dan saluran ke meter vakum. Instalasi dilakukan juga antara bejana dengan alat uji (pompa rotari) dan monitor uji (meter vakum pirani). Dari beberapa kegiatan tersebut dapat ditunjukkan seperti pada pada skema dibawah ini: Gambar 4. Konstruksi bejana pada kerangka penyangga Penyiapan Komponen bejana Penyiapan alat Instalasi Komponen bejana Data hasil uji Belum benar Evaluasi / Cek instalasi Pengujian benar Evaluasi hasil uji Gambar 5.Skema kegiatan instal dan pengujian Buku I hal 132 ISSN Sukidi, dkk

4 b. Prosedur Pengujian 1. Periksa apakah semua sambungan yang akan diuji telah terinstal dengan baik. 2. Periksa apakah alat uji telah terpasang (pompa ) pada bejana yang akan di uji. 3. Periksa apakah alat ukur uji (meter vakum pirani) telah terpasang dengan baik. 4. Periksa apakah kemampuan alat ukur telah sesuai dengan yang dikehendaki. 5. Jika semua telah terpasang (instal) dengan baik dan benar, dapat dilanjutkan langkah pengujian yaitu: 6. Hidupkan pompa rotari dan amati alat ukur uji (meter vakum pirani) 7. Jika kevakuman belum memenuhi yang dipersyaratkan, periksa dan perbaiki instalasi pada sambungan-sambungan antar komponen. 8. Amati terus sampai kevakuman mencapai kevakuman yang dipersyaratkan (orde 10-3 mbar). 9. Jika kevakuman baik dan telah mencapai pada kondisi yang dipersyaratkan (orde 10-3mbar), lanjutkan sampai pada kevakuman optimum. 10. Catat data-data hasil yang diperoleh yaitu (waktu dan kevakuman) dari mulai pompa rotari dihidupkan sampai kevakuman mencapai optimum. 11. Lakukan (langkah 1 s/d 10) diulang sampai lebih dari 3 kali sehingga diperoleh data unjuk kerja yang optimal. c. Data-data hasil uji Data data hasil uji ditunjukkan pada Tabel 1 dan Tabel 2 dibawah ini Tabel 1. Hasil uji bejana 1 Waktu (menit) Kevakuman (mbar) Rata-rata , , ,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 60 0,095 0,095 0,095 0,095 0,095 0, ,08 0,08 0,08 0,08 0,08 0, ,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0, ,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0, ,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0, ,008 0,008 0,0085 0,008 0,0085 0, ,006 0,006 0,006 0,006 0,006 0, ,005 0,005 0,005 0,005 0,005 0, ,005 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 Sukidi, dkk. ISSN Buku I hal 133

5 Tabel 2. Hasil uji bejana 2 Waktu (menit) Kevakuman (mbar) Rata-rata ,90 0,90 1 0, ,20 0,20 0,21 0,2 0,20 0,2 60 0,10 0,09 0,09 0,09 0,10 0, ,07 0,07 0,07 0,072 0,07 0, ,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0, ,025 0,025 0,02 0,03 0,03 0, ,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0, ,009 0,009 0,009 0,009 0,009 0, ,0085 0,0085 0,0085 0,0085 0,0085 0, ,008 0,008 0,008 0,008 0,008 0, ,008 0,008 0,008 0,008 0,008 0,008 HASIL DAN PEMBAHASAN Pada Tabel 1 atau Gambar 6 ditunjukkan hasil pengujian bejana 1. Pemvakuman dimulai dari tekanan atmosfir (1033 mbar), pada menitmenit awal kevakuman tidak segera tampak dan baru nampak pemvakuman tersebut setelah mendekati menit ke 10. Dimana kevakuman yang dapat terbaca pada meter pirani yaitu 800 mbar, selanjutnya pada menit ke 40 kevakuman yang dicapai sangat cepat, dengan ditandai slop yang sangat tajam antara 800 mbar hingga 0,9 mbar. Sedang dalam menit-menit berikutnya kenaikan kevakuman tidak secepat dalam 40 menit pertama. Walaupun demikian kenaikan kevakuman tetap terjadi secara pelan dan pada menit ke 60 kevakuman yang dicapai 0,09 mbar dan pada menit ke 110 kevakuman yang dicapai adalah mbar. Dengan bertambahnya waktu pemvakuman hingga pada menit ke 130, kevakuman yang dicapai adalah mbar. Dan pada menit ke 140, kevakuman tetap dan optimum pada mbar. Di dalam rancangan dasar dan rancangan detil vakum yang dipersyaratkan adalah orde 10-3 mbar. Sehingga kevakuman mbar yang dicapai telah memenuhi persyaratan. Gambar 6. Pengujian bejana reaktor plasma nitriding 1 Pada pengujian bejana 2 fenomena yang terjadi hampir sama dengan bejana 1. Hasil pengujian bejana 2 ditunjukkan pada Tabel 2 atau Gambar 7. Awal pemvakuman dimulai dari tekanan atmosfir (1033 mbar), dan pada menitmenit awal belum begitu nampak kevakumannya, dan baru pada menit ke 10 kevakuman mulai kelihatan yaitu 850 mbar, selanjutnya pada menit ke 50 kevakuman yang dapat dicapai juga sangat cepat, dengan ditandai slop yang sangat tajam antara 850 mbar hingga 0,1 mbar, pada bejana 1 hal ini terjadi pada menit ke 40. Dalam menitmenit berikutnya kenaikan vakum untuk bejana 2 masih terjadi, tetapi tidak secepat dalam 50 menit pertama. Walaupun demikian kenaikan kevakuman masih tetap terjadi dan pada menit ke Buku I hal 134 ISSN Sukidi, dkk

6 110 kevakuman yang dicapai adalah mbar. Dengan bertambahnya waktu pemvakuman hingga pada menit ke 130, kevakuman yang dicapai adalah mbar, dan bahkan sampai pada menit yang ke 140 kevakuman tetap pada mbar. Sehingga kevakuman yang dicapai ini merupakan kevakuman optimum yang dicapai untuk bejana 2 yaitu mbar. Dengan hasil uji bejana satu mbar dan bejana 2 adalah mbar, maka kedua bejana tersebut menurut kriteria pada rancangan dasar dan detil dapat digunakan sebagai bejana vakum nitridasi plasma. 3. Dari hasil data-data uji seperti tersebut diatas maka, 2 unit bejana yang telah selesai di uji bisa digunakan sebagai bejana vakum pada nitridasi plasma. UCAPAN TERIMA KASIH Pada kesempatan ini penulis mengucapkan banyak terima kasih, kepada teman-teman staf Bidang Teknologi Akselerator dan Fisika Nuklir yang telah membantu sehingga makalah ini dapat diselesaikan. Atas jasa baik teman-teman mudah-mudahan Allah akan membalas sesuai apa yang telah dilakukan oleh teman-teman. Amin. DAFTAR PUSTAKA 1. JOHN F O HANLON; A User s Guide To Vacuum Technology; Second Edition, John Wiley & Sons, New York, P.K.ROL; di terjemahkan oleh PETER SOEDOYO; Pengantar Teknik Vakum; Gajah Mada University Press; Catalog Vacuum Teknology; PFEIFFER, Gambar 7. Pengujian bejana reaktor plasma nitriding 2 Perbedaan capaian antara bejana 1 dan bejana 2 mungkin disebabkan beberapa hal antara lain: 1. Hasil proses pengelasan antara bejana 1 dan bejana 2 ada sedikit perbedaan sehingga hasil akhir pengujian ditunjukkan hasil yang berbeda. 2. Hasil proses permesinan untuk kehalusan permukaan bejana 1 dan bejana 2 tidak sama 3. Perapat (seal) dari hasil penyambungan seal tidak sama sehingga akan menyebabkan kerapatan yang tidak sama. TANYA JAWAB Untung Margono Apa yang menyebabkan hasil uji berbeda antara bejana 1 dan bejana 2? Sukidi Penyebab perbedaan hasil uji antara bejana 1 dan bejana 2 adalah hasil pengerjaan baik pengerjaan las, bubut maupun frais akan mempengaruhi kehalusan pengerjaan sehingga menyebabkan perbedaan kehalusan hasil hasil uji vakum, semakin halus akan semakin baik hasil uji vakumnya. KESIMPULAN Dari uraian dan pembahasan di atas dapat disimpulkan sebagai berikut: 1. Telah dilakukan uji vakum terhadap 2 unit bejana plasma nitridasi. 2. Hasil pengujian bejana reaktor nitridasi plasma menunjukkan hasil yang baik yaitu mbar untuk bejana 1 dan mbar untuk bejana 2, ini berarti kevakuman telah memenuhi persyaratan pada rancangan dasar dan rancangan detil. Sukidi, dkk. ISSN Buku I hal 135