PENGARUH IMPLANTASI ION-ION BORON DAN KARBON PAD A SIF AT MEKANIK PERMUKAAN BESI

Transkripsi

1 PENGARUH IMPLANTASI ION-ION BORON DAN KARBON PAD A SIF AT MEKANIK PERMUKAAN BESI, Tjipto Sujitno, Sri Sulamdari, Lely Susita RM., Elin Nuraini P3TM-BATAN. Kotak Pas Yogyakarta ABSTRAK PENGARUH IMPLANTASIION-ION BORON DAN KARBON PADA SIFAT MEKANIK PERMUKAAN BRS'I. Daam peneitian ini teah diakukan impantasi ion-ion boron don karbon pada permukaan besi. lmpantasi diakukan untuk berbagai variasi dosis don energi ion dengan tujuan dapat dihasikan sifat-sifat mekanik yang ebih baik. yaitu ebih keras don atau tahan terhadap keausan. Variasi dosis ion diakukan dengan niai 106 hingga orde 107 ionlcm2 don energi divariasi dari 10 kev hingga 100 kev Uji kekerasan mikro diakukan dengan aat uji kekerasan mikro "Digita Type Microhardness Tester MX 170". Hasi penelitian menunjukkan bahwa kekerasan optimum permukaan besi (Fe) yang diimplantasi ion boron dicapai pada dosis ion 8,4 x 106 ionlcm2 don energi 60 kef; sedongkan kekerasan optimum permukaan besi seteah diimplantasi dengan ion karbon diperoeh pada dosis ion 1,8 x 106 ionlcm2 don energi ion 70 kev Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa implantasi ion boron maupun karbon dapat mengubah don memperbaiki sifat mekanik bahan metal. ABSTRACT EFFECT OF BORON AND CARBON IONS IMPLANTATION ON THE MECHANICAL PROPERTIES OF IRON. In this research the boron and carbon ions implantation on the surface of iron has been done The ion implantation was done by varying of the ion dose and energy with the aim that a better mechanical properties, i.e the increase in its hardness andor wear resistance could be obtained The ion dose variation was done fromiol6 to 1017 ionlcm2 and the ion energy was varied from 10 kev to 100 kell: The microhardness testing was done by "Digital Type Microhardness Tester MXT70". It was obtained that the optimum hardness of iron (Fe) implanted with boron ions was achieved at ion dose 8,4 x 1016 ioncm2 and energy 60 ke V, while the optimum hardness of iron implanted with carbon ions is achieved at ion dose 1,8 x 1016 ionlcm2 energy 70 ke II: It could be concluded that the boron and carbon ions implantation could modify and improve the mechanical properties of metal. PENDAHULUAN T eknik implantasi ion pada saat ini telah berhasil dimanfaatkan secara luas dalam fabrikasi piranti-piranti semikonduktor. Akan tetapi pada tahun-tahun terakhir ini teknik implantasi ion telah mendapatkan perhatian yang cukup besar sebagai cara untuk memperbaiki sifat-sifat mekanik permukaan suatu bahan. Teknik ini apabila digunakan pada metal dan paduan metal, terutama bahan besi, memperlihatkan suatu yang unik pada sifat mekaniknya, yaitu dapat memperbaiki sifat kekerasan, ketahanan aus dan gesekan, korosi, oksidasi, kelelahan, dsb. [1,2,3]. Beberapa penelitian yang telah dilakukan oleh para peneliti terdahulu terutama mempelajari efek implantasi ion nitrogen pada sifat-sifat gesekan, keausan, dan kelelahan dari besi.[1,4,5,6]. Ada beberapa teori yang menerangkan mengapa nitrogen yang terimplantasi dapat memberikan sumbangan terhadap peningkatan sifatsifat mekanik dari besi dan paduannya. Berdasarkan pada efek-efek yang teramati, pembentukan rase kedua dan interaksi interstisi-dislokasi dapat memberikan sumbangan pada perbaikan sifat mekanik metal. Akan tetapi secara keseluruhan kurang sesuai dengan tinjauan fisika metalurgi, sehingga memungkinkan memberikan penjelasan lebih umum tentang fenomena tersebut. Oleh karena itu, hingga saat ini masih banyak dilakukan penelitian tentang perubahan sifat mekanik bahan metal akibat implantasion nitrogen. Akhir-akhir ini, modifikasi sifat permukaan bahan juga dapat diperoleh dengan pembentukan struktur permukaan bahan metal pada keadaan amorf menggunakan teknik implantasi ion. Suatu metal dalam keadaan amorf secara umum adalah pada suatu energi termodinamik tertinggi daripada dalam kondisi kristal normal, oleh karena itu diharapkan menjadi reaktif pada suatu lingkungan korosif. Jenis ion boron yang diimplantasikan pada besi kemurnian tinggi dan stainless-steel akan menghasilkan struktur amorf dalam daerah permukaan, dan meningkatkan ketahanan terhadap korosi [7]. Selain itu ada kemungkinan untuk memperbaiki sifat kekerasan dan ketahanan aus suatu permukaan metal. Dalam makalah ini dilaporkan basil penelitian tentang pengaruh implantasi ion boron dan karbon pada sifat mekanik permukaan besi, terutama sifat kekerasan dan ketahanan ausnya. Perubahan sifat mekanik tersebut tergantung pada beberapa parameter implantasi, antara lain adalah dosis dan energi ion, jenis ion dopan dan jenis bahan target. Tujuan

2 penelitian adalah mendapatkan perubahan dad perbaikan sifat mekanik besi, khususnya sifat kekerasan dad ketahanan aus, setelah dilakukan implantasi ion boron dad karbon pada permukaan besi. Dengan melakukan variasi dosis ion, energi ion untuk dua jenis dopan boron dad karbon. Dengan variasi dosis dad energi ion, diharapkan akan diperoleh dosis maupun energi ion yang tepat sehingga akan diperoleh sifat sesuai dengan yang diiginkan dengan demikian diharapkan akan diperoleh sifat kekerasan dad ketahanan aus yang optimum. TATA KERJA DAN PERCOBAAN Tata kerja dan percobaan dari penelitian ini dapat dikelompokkan dalam tiga kegiatan utama sebagai berikut. I. Persiapan bahan dan cuplikan 2. Proses implantasi ion 3. Pengujian atau karakterisasi cuplikan Persia pan Bahan dan Cuplikan Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari bahan sebagai target dan bahan dopan yang diimplantasikan. Bahan target yang digunakan adalah besi (90,1% Fe) dan bahan dopan adalah boron dan karbon (daam benuk gas). Bahan target berbentuk keping silinder diameter 15 mm dan tebal sekitar 2 mm dihaluskan pada salah satu permukaannya menggunakan kertas abrasif berukuran 600 sampai 1.800, sehingga dihasilkan suatu permukaan yang sangat halus. Kemudian dilakukan pemolesan dengan pasta intan dan penggosokan menggunakan kain beludru, sehingga dihasilkan suatu permukaan bahan yang sangat halus dan mengkilap. Pencucian cuplikan dilakukan menggunakan air mumi dan alkohol untuk menghilangkan kemungkinan adanya kontaminasi minyak atau lemak dan kotoran debu, selanjutnya dilakukan pengeringan pada suhu sekitar 100 C. Proses Implantasi Ion Akselerator implantasi ion yang digunakan dalam penelitian ini adalah akselerator ion energi rendah hasil rancang-bangun PPNY Batan. Akselerator ini terdiri dari beberapa komponen utama, yaitu sumber ion jenis Penning, generator tegangan tinggi Cockcroft-Walton, tabung akselerator, lensa kuadrupol, sistem vakum, sistem pemisah massa, sistem pemayar berkas ion dan tempat cuplikan. Cuplikan besi yang telah disiapkan masing-masing diimplantasi dengan ion boron dan karbon. Perubahan sifat mekanik bahan metal terjadi pada dosis ion di alas 1016 ioncm2, dan energi ion beberapa puluh key. Oleh karena itu dalam proses implantasi dilakukan variasi dosis dan energi ion dopan; dosis ion bervariasi dari 1016 hingga 1017 ioncm2, dan energi ion bervariasi antara 10 hingga 100 key. Pemi1ihan dosis ion dalam orde 1016 ioncm2, hingga orde 1017 ioncm2 tersebut dimaksudkan agar diperoleh konsentrasi ion boronlkarbon yang mampu membentuk rasa keras. Sedangkan variasi energi dalam orde 10 key hingga 100 key dengan maksud agar diperoleh distribusi ion-ion boronlkarbon tersebut dalam daerah rasa keras. Karakterisasi Cuplikan Karakterisasi cuplikan basil implantasi ion terdiri dati pengujian kekerasan dan ketahanan aus. Alat yang digunakan untuk uji kekerasan mikro adalah Digital Type Microhardness Tester MXT70, Mitsuzawa. Dalam pengujian kekerasan permukaan cuplikan digunakan beban indentor minimal 10 gf, hal ini dilakukan karena teballapisan basil implantasi hanya berorde mikron. Dengan beban indentor minimal tersebut akan diperoleh basil yang lebih akurat. Sedangkan uji ketahanan aus dilakukan dengan menggunakan alat uji keausan. Pengujian dilakukan untuk beban pengausan tetap, dan waktu pengausan bervariasi, selanjutnya tingkat keausan ditentukan berdasarkan pengurangan berat cuplikan. HASIL DAN PEMBAHASAN Berdasarkan basil studi pustaka yang ada, ion dopan jenis boron dad karbon dapat meningkatkan kekerasan, ketahanan aus dad korosi permukaan suatu jenis bahan tertentu. Dengan perubahan dad perbaikan sifat tersebut memungkinkan untuk memperpanjang umur pemakaian suatu peralatan, misalkan alat pemotong, mata pahat, mata bot, dll. Dalam penelitian ini telah dilakukan implantasi ionion boron dad karbon pada permukaan besi untuk berbagai nilai dosis dad energi ion. Gambar 1 menyajikan basil karakterisasi nilai kekerasan besi terhadap perubahan dosis ion boron yang dimplantasikan untuk energi ion boron 60 key. Berdasarkan basil yang ditampilkan dalam Gambar 1 terlihat bahwa kekerasan optimum terjadi pada dosis ion boron 8,4 x 1016 ioncm2 dengan nilai kekerasan optimum sekitar 196 KHN. Sedangkan Gambar 2 menyajikan basil karakterisasi nilai kekerasan besi terhadap perubahan energi ion boron pada dosis ion 8,4 x 1016 ioncm2, dari basil karakterisasi ini diperoleh nilai angka kekerasan optimum besi sebesar 196 KHN pada energi ion 60 key. Jika nilai kekerasan basil implantasi ion boron dibandingkan dengan cuplikan sebelum proses implantasi diperoleh kenaikan sekitar 128 %. Dari basil-basil tersebut dapat diketahui bahwa perbaikan sifat kekerasan permukaan bahan sangat ditentukan oleh parameter dosis dad energi ion dopan. Salah satu jenis ion dopan lainnya yang dapat meningkatkan kekerasan permukaan suatu bahan metal adalah jenis ion karbon. Maka dalam penelitian ini juga telah dilakukan implantasi ion Sudiatmoko. dkk ISSN

3 Prosiding Pertemuan dan Presentasi lmiah P3TM-BATAN, Yogyakllrta Juli 1999 Buku karbon pacta pennukaan besi. Karakterisasi sifat mekaniknya, terutama angka kekerasan dilakukan sekaligus dengan menenfukan profil kekerasan terhadap kedalaman penetrasi ion dopan. Hasil karakterisasi tersebut ditampilkan dalam Gambar 3, yaifu profil kekerasan besi yangdiimplantasi dengan ion karbon pacta dosis ion optimum 1,8 x 1016 ionlcm2 dad energi ion 70 ke V. Hasil yang disajikan dalam Gambar 3 menunjukkan bahwa kekerasan optimum sebesar 350 KHN diperoleh pacta kedalaman sekitar 0, 1 m. Jika nilai ini dibandingkan dengan kekerasan besi sebelum proses implantasi ion terjadi peningkatan sebesar 120 %. Keausan merupakan peristiwa pergeseran dan pelepasan partikel-partikellogam dati pennukaannya yang disebabkan oleh logam lain, bahan non logam, cairan atau gas yang bergerak. Setiap benfuk keausan dipengaruhi oleh berbagai kondisi antara lain adalah berat behan, kecepatan bagian yang bergesekan, kekerasan, suhu pelumas dad jenis bahan yang saling bergesekan. Ketahanan aus dati suafu bahan dalah volume bahan yang terauskan sebanding dengan (beban x jarak gesekan) kekerasan. Dalam penelitian yang dilakukan, uji ketahanan aus dilakukan pacta berat behan, kecepatan gesekan, dad suhu yang sama"serta waktu pengausan yang bervariasi. Pacta Gambar 4 dan 5 ditampilkan basil uji keausan dati besi setelah masing-masing dilakukan implantasi ion boron dan karbon. Dari Gambar 4 dapat diketahui bahwa ketahanan aus dati pennukaan besi meningkat hingga sekitar 89 % setelah proses implantasi dengan dosis 8,4 x 1016 ionlcm2 dad energi 60 ke V. Sedangkan Gambar 5 menunjukkan bahwa ketahanan aus dati besi meningkat sebesar 149 % setelah dilakukan implantasi ion karbon dengan dosis 1,8 x 1016 ioncm2 dad energi ion 70 key. Hasil-hasil penelitian tersebut di atas telah menunjukkan bahwa implantasi ion-ion boron atau karbon pacta pennukaan besi dengan berbagai variasi dosis dan energi ion mengakibatkan perubahan sifat mekanik bahan, yaifu meningkatkan nilai kekerasan dad ketahanan terhadap keausan. Perubahan sifat mekanik pennukaan bahan tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut.. Energi ion dopan yang dipindahkan kepada atom-atom bahan dapat mengakibatkan pergeseran atom-atom bahan dati letak kisi semula. Atom-atom bahan dapat tergeser dati letak kisikisinya, bergantung pacta energi dan massa ion yang diimplantasikan maupun massa bahan. Atom-atom yang tergeser juga dapat menggeser atom-atom lainnya, sehingga mengakibatkan fumbukail beruntun. Proses ini mengakibatkan terjadinya akumulasi atom-atom vakansi dan interstisi (cacat Frenkel), maupun cacat kisi yang lebih kompleks sepanjang lintasan ion (clusters). Ion-ion yang lebih berat dapat memindahkan energinya lebih besar kepada atom-atom kisi daripada ion-ion yang lebih ringan. Luas kerusakan akibat radiasi ion mulai tumpang-tindih dengan bertambahnya dosis ion, dan akhirnya membentuk lapisan amorf yang meluas pacta suatu kedalaman tertentu [8]. Dalam proses implantasi ion untuk variasi dosis ion pacta energi tertentu, seperti disajikan dalam Gambar I, kekerasan optimum terjadi pacta dosis ion boron 8,4 x 1016 ioncm2. Pacta saat dosis ion < 8,4 x 1016 ioncm2 akumulasi cacat atol;n-atom vakansi dan interstisi masih relatif kecil, sehingga belum sepenuhnya dapat menghambat terjadinya laju dislokasi. Hal ini mengakibatkan kekerasan bahan belum mencapai nilai optimum. Dengan bertambahnya nilai dosis ion yang diimplantasikan akan mengakibatkan bertambahnya akumulasi atomatom vakansi dan interstisi, dan mencapai nilai optimum pacta dosis ion 8,4 x 1016 ioncm2. Pacta kondisi optimum ini cacat yang terbentuk mempunyai kerapatan optimum; maka laju dislokasi akan terhambat, atau dengan perkataan lain bahan menjadi lebih keras. Pacta dosis ion yang semakin besar akan terjadi kerusakan radiasi yang mulai tumpang-tindih, dan akhirnya membentuk lapisan amorf. Selain itu acta kemungkinan terjadinya penumpukan atom-atom dopan pacta permukaan bahan sebagai akibat konsentrasi atom dopan yang terimplantasi mengalami kejenuhan. Peristiwa ini akan mengakibatkan nilai kekerasan mulai menurun; 3D 9J..81 i! t7o 9J ,.m. "31 Mm Oasis Ion x 1016 cm-2 Gambar 1. GrafIk basil uji kekerasan mikro dari permukaan besi basil implantasi ion boron untuk berbagai dosis ion pacta energi 60 key. Dari variasi energi ion terlihat bahwa semakin besar energi ion yang diimplantasikan, angka kekerasannya juga meningkat. Besamya kerusakan radiasi dan distribusinya bergantung pacta energi ion, jenis ion, suhu dan dosis ion, dan untuk jenis dan dosis ion serre suhu tertentu maka besarnya kerusakan radiasi ditentukan oleh energi ion yang diimplantasikan. Oleh karena itu untuk energi ion yang semakin besar akan menyebabkan jumlah cacat yang terbentuk semakin banyak dan mencapai nilai optimum pacta energi tertentu. Dalam Gambar 2 terlihat bahwa kekerasan optimum dicapai pacta energi boron 60 kev. Pacta energi yang lebih besar

4 ., 12 Buku I Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah P3TM-BATAN, Yogyakarta Juli 1999 lagi maka kedalaman penetrasi ion semakin besar, dan konsentrasi maksimum dari ion yang terimplantasi berkurang karena bertambahnya range straggling, dan terjadi pelebaran distribusi kerusakan radiasi. Hal ini mungkin menyebabkan terjadinya penurunan nilai kekerasan bahan basil implantasion. Gambar 2. 8) DO I' "'".""'"IO"" -"'- Graflk hasil uji kekerasan mikro dari permukaan besi hasil implantasi ion boron untuk berbagai variasi energi ion pada dosis 8,4 x 1016 ioncm2. Gambar 3. Profil kekerasan besi basil implantasi ion karbon pada dosis 1,8 x 1016 ioncm2 dan energi ion 70 key. Gambar 4. Graflk hubungan antara peningkatan ketahanan aus.permukaan besi basil implantasi ion boron untuk berbagai variasi energi ion pada dosis 8,4 x 1016 ioncm2 Pada Gambar 3 ditampilkan profil kekerasan besi terhadap kedalaman penetrasi ion dad terlihat bahwa kekerasan optimum terjadi pada kedalaman sekitar 0, 1 m. Hal inisesuai dengan teori LSS yang menyatakan bahwa konsentrasi ion yang terimplantasi mencapai nilai optimum di sekitar jangkau ion terproyeksi, sehingga cacat vakansi dad interstisi optimum juga terjadi di sekitar jangkau ion terproyeksi, clan kejadian ini mengakibatkan kekerasan optimum terjadi pada daerah dekat dengan permukaan bahan. Pada Gambar 4 clan 5 ditampilkan nilai ketahanan aus, masing-masing basil implanwi ion boron clan karbon. Ketahanan aus optimum masing-masing dicapai pada nilai kekerasan optimum, hal ini sesuai dengan kenyataan bahwa ketahanan aus suatu permukaan bahan berbanding terbalik dengan nilai kekerasannya. -r j, - i - {'\ \ " M O.-oo',,"V) Gambar 5. Graftk hubungan, antara peningkatan ketahanan aus pennukaan besi hasil implantasi ion karbon untuk berbagai variasi energi ion padadosis 1,8 x 1016 ioncm2. KESIMPULAN Berdasarkan basil-basil penelitian dad pembahasan seperti yang telah diuraikan di atas dapat diambil kesimpulan sebagai berikut. Perubahan sifat mekanik permukaan bahan besi, yaitu nilai kekerasan dad ketahanan ausnya sangat ditentukan oleb jenis ion, dosis dan energi ion yang diimplantasikan. Kekerasan optimum permukaan besi setelah proses implantasi ion boron terjadi pada dosis ion 8,4 x 1016 ioncm2 dad energi 60 key, sedangkan kekerasan optimum permukaan besi setelah diimplantasi dengan ion karbon diperoleb pada dosis ion 1,8 x 1016 ioncm2 dad energi ion 70 key. Kekerasan optimum terjadi tidak pada permukaan bahan, akan tetapi pada kedalaman tertentu dekat permukaan bahan 'atau terjadi di sekitar jangkauion terproyeksi. Sedangkan panjang jangkau ion terproyeksi ditentukan oleb besarnya energi ion. DAFTAR PUSTAKA 1 HERMAN, H., Modification of the Surface Mechanical Properties of Ferrous Alloys by Nitrogen Ion Implantation, Proceedings of the 3rd International Conference on Modification of Surface Properties of Metals by Io Implantation, Perganlon Press Ltd., Oxfor (1982) : 2 XIE ZHONG- YIN, et al., Ion Implantation for Improving Wear Resistance of Metals,, dkk ISSN

5 Proceedings of the 3rd International Conference on Modification of Surface Properties of Metals by Ion Implantation, Pergamon Press Ltd., Oxford, (1982) LU, Y.C. and IVES, M.B., The Improvement of the Localized Corrosion Resistance of Stainless Steel by Cerium, Corrosion Science, Vol. 34, No. 11,(1993) ZHOU, P., et al., The Effect of W Ion Beam Bombardment on Aqueous Corrosion of Iron, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B78 (1985) ROBERTS, S.G. and PAGE, T.F., The Effects of N2+ Ion Implantation on the Hardness and Wear Behaviour of Brittle Materials, Proceedings of the 3rd International Conference on Modification of Surface Properties of Metals by Ion Implantation, Pergamon Press Ltd., Oxford, (1982) DODD, C.G., et al., Surface Micro-analytical Studies of Nitrogen Ion-Implanted Steel, Nuclear instruments and Methods in Physics Research B78 (1985) KIM, H.J., et al., Corrosion Behaviour of Surface Films on Boron-implanted High Purity Iron and Stainless Steels, Materials Science and Engineering, 69 (1985) RYSSEL, H. AND RUGE, I., Ion Implantation, John Wiley & Sons, New York (1986). TANYAJAWAB Widdi Usada * Apakah peranan implantasi ion-ion boron dad carbon dapat diganti dengan atom lain untuk memperoleh perbaikan sifat bahan * Pada dasarnya peranan atom asing yang masuk ke dalam permukaan bahan dapat mengubah sifat-sifat mekanik, listrik ataupun yang lainnya. Sehingga peranan boron dan karbon dapat digantikan dengan atom lainnya, sebagai contoh adalah atom nitrogen. Heru Susetyadi * Apakah sifat kekerasan permukaan besi yang diimplantasi tidak dapat berubah oleh kenaikan suhu yang dikenakan pada besi tersebut? Suhu yang diijinkan? * Apa sajakah yang dapat merusak kekerasan permukaan besi tersebut misal panas, kelembaban?.sifat kekerasan permukaan besi hasi impantasi ion dapat berubah oeh kenaikan suhu, ha ini disebabkan karena distribusi konsentrasi ion yang terimpantasi berubah semakin meebar dengan terjadinya kenaikan suhu. Suhu yang diijinkan kami beurn tahu, karena beurn diakukan eksperimen.perubahansuhu BudiWardoyo.Bagaimana carametode yang digunakan untuk pengujian aus dan pengukuran kekerasan pada kedalaman yang berbeda..apa dan bagaimana yang dimaksud dengan perlakuan panas setelah proses implantasi.pengukuran kekerasan diakukan pada cupikan yang dipotong meintang, dimuai dari permukaan bahan dan seanjutnya pada bagian daam menggunakan indentor teringan.pengukuran atau uji aus pada suatu kedaaman tertentu beurn kami akukan, karena metodenya beurn kami ketahui.perakuan panas seteah proses impantasi dimaksudkan agar terjadi rekristaisasi, sehingga diharapkan akan diperoeh sifat bahan yang ebih optima. Tri Mardji Atmono.Pada gambar 5 terihat semacam osiasi hubungan antara energi ion dengan peningkatan ketahanan aus. Mohon penjeasan, apakah bentuk kurva untuk tenaga di bawah 30 kejl:.untuk menentukan ked aam an penetrasi apakah tidak bisa digunakan AES? (gambar 3).Kami beurn bisa memberikan aasan secara teoritis tentang hasi yang diperoeh. Dari beberapa acuan yang ada beurn kami jumpai ha yang serupa dengan hasi kami.eisa Silakhuddin.Uji menggunakan metode AES keausan dapat diuji dengan teknik nuklir TLA yang saat ini sedang dikembangkan di fasilitas siklotron BA TAN Serpong Terima kasih alas masukannya ISSN , dkk.