TUGAS AKHIR PELAPISAN ALUMINIUM PADA Fe-Ni DENGAN TEKNIK EVAPORASI Disusun Sebagai Syarat Untuk Menyelesaikan Program Studi Strata Satu Pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta Disusun Oleh : YUDI HERMAWAN D200 120 045 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 2016
ii
iii
iv
v
vi
MOTTO Hendaklah kamu tolong menolong dalam kebaikan dan ketakwaan, dan janganlah saling membantu dalam perbuatan dosa dan permusuhan. Dan bertakwalah kepada Allah. Sesungguhnya Allah amat berat siksanya. (QS. Al Ma idah (5) : 2) Jika Allah menolong kamu, maka tak ada orang yang dapat mengalahkanmu. Jika Allah membiarkan kamu (tidak memberi pertolongan), maka siapakah gerangan yang dapat menolong kamu (selain) dari Allah sesudah itu? Karena itu, hendaklah kepada Allah saja orang-orang mukmin bertawakal. (QS. Ali Imran (3) : 160) Jika kamu tidak disibukkan dengan kebaikan, maka setan akan menyibukkanmu. (Imam Syafi i) Carilah pekerjaan yang memberimu kebahagiaan, pelajaran hidup dan manfaat bagi sesama. Jangan pilih yang hanya memberimu uang. Pekerjaan yang membuatmu bahagia saat mengerjakannya, itulah yang kelak akan membesarkanmu. (Dale Carnegie dan Robert Kiyosaki) Mereka berkata bahwa setiap orang membutuhkan tiga hal yang akan membuat mereka berbahagia di dunia ini, yaitu; seseorang untuk dicintai, sesuatu untuk dilakukan dan sesuatu untuk diharapkan. (Tom Bodett) vii
PELAPISAN ALUMINIUM PADA Fe-Ni DENGAN TEKNIK EVAPORASI Yudi Hermawan, Tri Widodo Besar Riyadi Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta Jl. A. Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasura E-mail : hermawanyudi256@gmail.com ABSTRAK Evaporasi merupakan salah satu metode pelapisan logam yang dilakukan di ruang vakum untuk menghasilkan lapisan tipis yang memiliki kualitas yang baik dengan biaya produksi rendah disertai prosesnya yang cepat. Lapisan tipis yang terbentuk diperoleh melalui kondensasi dari uap logam sumber evaporasi yang dipanaskan. Evaporasi dilakukan pada ruang hampa atau vakum dengan tingkat kevakuman 10-5 mbar. Penelitian menggunakan separangkat alat Evaporator Edward Coating System E610 dengan tingkat kevakuman mencapai 10-5 mbar. Substrat berbahan dasar baja karbon St 40 yang sebelumnya telah dilapisi oleh lapisan nikel dan kawat aluminium sebagai bahan pelapis. Variasi massa aluminium yang digunakan antara lain 0,0216 gram, 0,0268 gram, 0,0319 gram, 0, 0372 gram, dan 0,0424 gram. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh variasi massa aluminium yang dihasilkan dari proses evaporasi yang diikuti oleh proses perlakuan panas dengan suhu 200 o C terhadap nilai kekerasan dan ketahanan aus dari lapisan Fe-Ni. Puncak difraksi yang diperoleh dengan uji XRD menunjukkan bahwa lapisan dengan Al dari 0,0216 gram memiliki struktur amorf sedangkan sampel dengan massa 0,0424 gram Al memiliki struktur kristal. Dari hasil pengujian kekerasan, didapatkan nilai kekerasan pada variasi massa aluminium 0,0216 gram, 0,0268 gram, 0,0319 gram, 0,0372 gram dan 0,0424 gram masing-masing menghasilkan nilai kekerasan sebesar 185,9 VHN, 195,2 VHN, 200,2 VHN, 219 VHN dan 251,5 VHN. Sedangkan ketahanan aus dari variasi tersebut menghasilkan nilai tingkat keausan sebesar 4.833 x 10-5 mm 2 /kg, 3.116 x 10-5 mm 2 /kg, 2.576 x 10-5 mm 2 /kg, 2.109 x 10-5 mm 2 /kg dan 1.873 x 10-5 mm 2 /kg. Hal ini menunjukkan bahwa ada pembentukan senyawa intermetalik baru Al-Ni yang meningkatkan sifat kekerasan dan ketahanan aus. Peningkatan massa aluminium yang dideposisikan pada Fe-Ni menghasilkan fase intermetalik Al-Ni lebih banyak. Kata kunci : Aluminium, evaporasi, kekerasan, keausan dan perlakuan panas. viii
ABSTRACT Evaporation is one of coating methods conducted in a vacuum chamber used to produce a thin layer that has good quality with low cost production and fast process. The thin layer formed by evaporation was obtained by condensation of metal vapour of evaporation sources. Evaporation is conducted on a pest or vacuum chamber with a vacuum level of 10-5 mbar. This research conducted in a set of tools namely Evaporator Edward Coating System E610 with a maximum vacuum level of 10-5 mbar. The substrate material was a carbon steel ST 40 that has been previously electroplated by a nickel layer. The mass of aluminium was varied using 0, 0216 grams, 0, 0268 grams, 0, 0319 grams, 0, 0372 grams, and 0, 0424 grams. The aim of this research was to determine the effect of the mass of aluminum produced by evaporation which was followed by heat treatment process using 200 o C on the hardness and wear resistance of the Fe-Ni layer. The diffraction peaks obtained by XRD test showed that the layers with Al of 0,0216 gram had an amorphous structure while the sample with a mass of 0,0424 grams Al had a crystalline structure. The results of hardness test showed that the hardness of the sample deposited by the mass of aluminium with 0,0216 grams, 0,0268 grams, 0,0319 grams, 0, 0372 grams, and 0 0424 grams produced a hardness value of 185,9 VHN, 195,2 VHN, 200,2 VHN, 219 VHN and 251, 5 VHN, respectively. Using these mass variations produced the wear rate of 4, 833 x 10-5 mm2/kg, 3, 116 x 1-5 mm2/kg, 2, 576 x 10-5 mm2/kg, 2, 109 x 10-5 mm2/kg and 1, 873 x 10-5 mm2/kg, respectively. This indicates that there was a formation of new intermetallic compounds of Al-Ni that improved the properties of hardness and wear resistance. An increase of the mass of aluminium deposited on the Fe-Ni produced more Al-Ni intermetallic phases. Keywords: Aluminium, Evaporation, Hardness, Heat treatment and Wear,. ix
HALAMAN PERSEMBAHAN Semoga Allah SWT meridhoi segala keinginan dan harapan agar dapat terwujud. Tugas Akhir ini penulis persembahkan kepada : Kedua orangtuaku yang ku sayangi, cintai dan hormati, yang telah memberikan doa dan semangat selama menempuh pendidikan. Semoga Allah SWT membalas kemuliaan yang luar biasa kepadamu atasku. Kakak dan adikku tercinta, para sahabat, pembimbing, keluarga besarku dan Almamaterku. x
KATA PENGANTAR Syukur Alhamdulillah, saya panjatkan kepada Allah SWT atas segala rahmat dan nikmat-nya sehingga penyusunan laporan penelitian ini dapat terselesaikan. Tugas akhir berjudul PELAPISAN ALUMINIUM PADA Fe-Ni DENGAN TEKNIK EVAPORASI dapat terselesaikan atas dukungan dari berbagai pihak. Untuk itu dalam kesempatan ini saya selaku penulis dengan segala hormat dan ketulusan hati ingin menyampaikan rasa terima kasih dan penghargaan sebesar besarnya kepada : 1. Bapak Ir. H. Sri Sunarjono, MT, Ph.D, selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. 2. Bapak Tri Widodo Besar R., ST, MSc., Ph.D, selaku ketua jurusan Teknik Mesin dan selaku Dosen pembimbing yang telah membimbing serta bersedia meluangkan waktunya untuk memberikan arahan dan penjelasan dalam penulisan Tugas Akhir ini. 3. Bapak Ir. H. Subroto, MT., selaku Pembimbing Akademik di jurusan Teknik Mesin yang selalu memberi arahan dan saran yang baik. 4. Pusat Sains dan Teknologi Akselerator Badan Tenaga Nuklir Nasional (PSTA-BATAN) Yogyakarta, yang telah memberikan izin untuk melakukan penelitian Tugas Akhir ini. 5. Bapak Ir. Suprapto dan Irianto, S.T, selaku pembimbing lapangan di PSTA-BATAN serta semua pihak yang telah bersedia memberikan bimbingan dan arahan dalam penyusunan Tugas Akhir ini. 6. Bapak dan Ibuku serta kakak-adikku tercinta yang selalu memberikan doa, dukungan dan semangat dalam kehidupanku. 7. Staff Tata Usaha Jurusan Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta yang membantu kelancaran Tugas Akhir. xi
xii
DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL... i PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR... ii HALAMAN PERSETUJUAN... iii HALAMAN PENGESAHAN... iv HALAMAN PENGESAHAN BATAN... v LEMBAR SOAL TUGAS AKHIR... vi HALAMAN MOTTO... vii ABSTRAKSI... viii ABSTRACT... ix HALAMAN PERSEMBAHAN... x KATA PENGANTAR... xi DAFTAR ISI... xiii DAFTAR GAMBAR... xv DAFTAR TABEL... xvii BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Perumusan Masalah... 3 1.3 Batasan Masalah... 3 1.4 Tujuan Penelitian... 4 1.5 Manfaat Penelitian... 4 1.6 Sistematika Penulisan... 5 BAB II DASAR TEORI... 7 2.1 Tinjauan Pustaka... 7 xiii
2.2 Landasan Teori... 10 2.2.1. Teknik Deposisi Lapisan Tipis Dengan Metode Evaporasi... 10 2.2.2. Sistem Pemvakuman... 12 2.2.3. Tingkat Kevakuman... 13 2.2.4. Pompa Vakum... 14 2.2.5. Evaporasi Thermal... 18 2.2.6. Bahan Pelapis (Aluminium)... 19 2.2.7. Heat Treatment... 20 2.2.8. Uji X-Ray Diffraction (XRD)... 22 2.2.9. Uji Kekerasan Vickers... 24 2.2.10. Uji Keausan... 26 BAB III METODE PENELITIAN... 28 3.1 Diagram Alir Penelitian... 29 3.2 Perisapan Bahan dan Alat... 32 3.2.1 Bahan... 33 3.2.2 Alat... 35 3.3 Prosedur Penelitian... 42 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... 50 4.1. Hasil Pengujian XRD... 51 4.2. Hasil Pengujian Kekerasan... 55 4.2.1 Hasil Perhitungan Teori Ketebalan... 60 4.3. Hasil Pengujian Keausan... 62 4.3.1 Hasil Perhitungan Teori Keausan... 63 BAB V PENUTUP...... 66 5.1. Kesimpulan... 66 5.2. Saran...... 67 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xiv
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Sistem Evaporasi Vakum... 11 Gambar 2.2 Prinsip Kerja Pompa Rotari... 16 Gambar 2.3 Pompa Difusi... 17 Gambar 2.4 Rangkaian Alat Perlakuan Panas... 21 Gambar 2.5 Ilustrasi Difraksi Sinar-X Pada XRD... 23 Gambar 2.6 Spektogram Hasil Uji XRD... 24 Gambar 2.7 Sudut Dan Hasil Jejak Piramida Intan... 25 Gambar 2.8 Skema Pengujian Keausan... 27 Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian... 29 Gambar 3.2 Substrat Fe-Ni... 33 Gambar 3.3 Bahan Pelapis (Kawat Aluminium)... 33 Gambar 3.4 Bahan Cairan Pencucian... 34 Gambar 3.5 Bahan Mounting... 34 Gambar 3.6 Alat Coating Evaporasi... 35 Gambar 3.7 Alat Heat Treatment... 36 Gambar 3.8 Alat Uji Xrd... 37 Gambar 3.9 Alat Pengujian Kekerasan Vickers... 38 Gambar 3.10 Alat Uji Keausan... 39 Gambar 3.11 Peralatan Pengukuran... 39 Gambar 3.12 Peralatan Penunjang... 40 Gambar 3.13 Peralatan Safety... 41 Gambar 3.14 Proses Preparasi... 43 Gambar 3.15 Proses Pencucian... 44 Gambar 3.16 Proses Evaporasi... 45 Gambar 3.17 Proses Heat Treatment... 46 Gambar 3.18 Proses Uji Kekerasan... 48 Gambar 3.19 Layar Hasil Uji Kekerasan... 48 Gambar 3.20 Hasil Mounting... 49 Gambar 3.21 Alat Uji Keausan... 50 xv
Gambar 4.1 Gambar 4.2 Gambar 4.3 Gambar 4.4 Gambar 4.5 Spektogram Sudut Hamburan (2θ) Lapisan Aluminium Dengan Massa 0,216 gram... 51 Spektogram Sudut Hamburan (2θ) Lapisan Aluminium Dengan Massa 0,424 gram... 52 Grafik Hubungan Antara Massa Al Dengan Kekerasan... 57 Foto Permukaan Lapisan Hasil Uji Keras Dengan Variasi Massa Aluminium a) 0,0216 gr b) 0,0268 gr c) 0,0319 gr d) 0,0372 gr e) 0,0424 gr dengan perbesaran 400x... 58 Grafik Hubungan Antara Massa Al Dengan Keausan... 64 xvi
DAFTAR TABEL Tabel 4.1 Identifikasi Pola XRD pada sampel... 54 Tabel 4.2 Tingkat Kekerasan Lapisan Aluminium... 56 Tabel 4.3 Tingkat Ketebalan Lapisan Tipis Aluminium... 61 Tabel 4.4 Tingkat Keausan Lapisan... 64 xvii