PENGERASAN PERMUKAAN ROLLER RANTAI DENGAN METODE PLASMA CARBURIZING DARI CAMPURAN GAS He DAN CH 4 PADA TEKANAN 1,6 mbar Dwi Priyantoro 1, Tjipto Sujitno 2, Bangun Pribadi 1, Zuhdi Arif Ainun Najib 1 1) Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir - Badan Tenaga Nuklir Nasional Jl. Babarsari PO BOX 6101 YKBB Yogyakarta 55281 2) Pusat Sains dan Teknologi Akselerator - Badan Tenaga Nuklir Nasional Jl. Babarsari PO BOX 6101 YKBB Yogyakarta 55281 INTISARI Transmisi daya mekanik antar dua roda gigi dapat menggunakan rantai. Bagian dari matarantai yang bergesekan langsung dengan rodagigi adalah roller rantai. Permukaan roller rantai harus memiliki sifat yang keras agar tidak mudah aus. Pengerasan permukaan roller rantai dapat dilakukan dengan pembentukan lapisan DLC pada permukaan tersebut. Lapisan DLC dapat dibentuk dengan metode plasma carburizing. Plasma carburizing dalam penelitian ini memanfaatkan lucutan pijar DC dari campuran gas helium dan gas metana pada tekanan 1,6 mbar dan temperature 573 K, sedang waktu perlakuan divariasi 1, 2, 3, 4, dan 5 jam. Hasil penelitian adalah kekerasan permukaan roller rantai naik dari 276,05 VHN menjadi 333,91 VHN setelah dilakukan plasma carburizing dengan waktu perlakuan 3,77 jam atau terjadi kenaikan kekerasan sebesar 21 %. Kata kunci : DLC, plasma carburizing, roller rantai. ABSTRACT Mechanical power transmission between two gears can use the chain. Part of the chain of rubbing directly with the gear drive is a roller chain. The surface of the roller chain must have properties that are not easily wear out loud. Chain roller surface hardening can be done by forming DLC coating on the surface. DLC layer can be formed by plasma carburizing method. Plasma carburizing in this study utilizes a DC glow discharge from a gas mixture of helium and methane gas at a pressure of 1.6 mbar and a temperature of 573 K, while the treatment time varied 1, 2, 3, 4, and 5 hours. The result of research is changing the chain roller surface hardness of 276.05 VHN be 333.91 VHN after plasma carburizing with a treatment time of 3.77 hours or an increase in violence by 21%. Key words: DLC, plasma carburizing, chain roller. 329
Pendahuluan Transmisi daya mekanis [1,2] antar dua roda gigi dapat menggunakan rantai. Sebuah rantai tersusun atas beberapa matarantai yang saling bersambungan satu sama lain. Lihat Gambar 1. Bagian dari matarantai yang bersinggungan langsung dengan rodagigi adalah roller rantai. Roller rantai menumpu beban gesek yang tinggi, oleh karena itu harus memiliki sifat yang keras agar tidak mudah aus [1]. katoda. Bendakerja diletakkan pada katoda. Gambar 2. Skema dari sebuah reaktor plasma [2,6] Gambar 1. Bagian-bagian dari sebuah rantai [2] Untuk memperkeras permukaan roller [2] rantai dapat dilakukan dengan membentuk lapisan DLC (diamond like carbon) pada permukaan tersebut. Proses pengerasan seperti ini masuk kategori surface treatment [3] yang mana perubahan sifat hanya terjadi pada permukaan saja sedang bagian dalam sifatnya tidak berubah. Lapisan DLC [2,4,5] memiliki sifat yang keras sehingga apabila dilapiskan pada roller rantai maka umur pakai dari rantai dapat lebih panjang. Lapisan DLC dapat dibentuk dengan metode plasma carburizing [2] lucutan pijar DC dari campuran gas helium dan gas metana. Alat yang digunakan adalah reaktor plasma. Skema reaktor plasma lucutan pijar DC terlihat pada Gambar 2. Komporen utama reaktor plasma [2,6] adalah tabung plasma yang dilengkapi dengan sumber tegangan DC, sumber gas helium dan metana, dan pompa hampa. Dalam tabung plasma terdapat anoda dan Proses pembentukan lapisan DLC [2,6]. Mula-mula bendakerja diletakkan pada katoda, selanjutnya tabung plasma dihampakan, diikuti tabung plasma diisi campuran gas helium dan gas metana pada tekanan rendah (1,6 mbar), kemudian tabung plasma diberi tegangan DC melalui anoda dan katoda. Temperatur plasma [2,6] diset 573 K dengan mengatur tegangan anoda-katoda. Dengan adanya tegangan ini maka terjadi lucutan elektron dari katoda menuju anoda. Elektron akan menumbuk partikel gas metana sehingga terionisasi membentuk ion positif dari karbon dalam fase plasma. Indikator terbentuknya plasma adalah adanya arus listrik yang mengalir lewat anoda-katoda. Ion karbon dalam fase plasma ini akan terdeposisi pada permukaan benda kerja yang diletakkan pada katoda. Pendeposisian ini berlangsung terusmenerus sehingga terbentuk lapisan tipis yang disebut lapisan DLC. Lapisan ini memiliki sifat yang sangat keras [2,4,5,6]. Kekerasan permukaan bendakerja dapat diukur dengan uji Vikers [2,6,7]. Pertambahan kekerasan permukaan dapat diketahui dari selisih antara kekerasan bendakerja sebelum dan 330
setelah perlakuan plasma carburizing. Bila kekerasan permukaan material asli adalah dan kekerasan permukaan bendakerja setelah perlakuan plasma carburizing adalah maka kenaikan kekerasan adalah (1) atau peningkatan kekerasan adalah (2) Untuk melihat keadaan kekerasan permukaan bendakerja yang dikenai perlakuan plasma carburizing, dapat dibuat grafik kekerasan versus waktu. Dari grafik itu dapat diketahui kekerasan maksimum beserta lamanya waktu yang diperlukan untuk proses plasma carburizing. Metode Penelitian Pengerasan permukaan roller rantai dengan metode plasma carburizing [2,6]. Dalam penelitian ini digunakan campuran gas helium dan metana pada tekanan 1,6 mbar dan temperatur plasma 573 K, sedang waktu perlakuan divariasi : 1 jam; 2 jam; 3 jam; 4 jam; dan 5 jam. Selanjutnya hasil perlakuan plasma carburizing pada bendakerja diuji kekerasannya dengan uji Vikers. Urutan langkah penelitian [2,6,7] dapat dilihat pada Gambar 3, yang dapat diuraikan sebagai berikut, Gambar 3. Urutan langkan penelitian Langkah 1 Penyiapan bendakerja [2]. Matarantai dibongkar dan diambil bagian roller rantai. Disiapkan bendakerja atau sampel dan dipisahkan ke dalam 6 (enam) kelompok yaitu kelompok ke-1, ke-2, ke-3, ke-4, ke-5, dan ke-6. Bendakerja kelompok ke-1 sampai dengan ke-5 dikenai perlakuan plasma carburizing, sedang kelompok ke-6 tidak dikenai perlakuan. Bendakerja kelompok ke-6 ini ditetapkan sebagai material asli. Langkah 2 Perlakuan carburizing. Bendakerja kelompok ke-1 sampai dengan ke-5 dikenai perlakuan plasma carburizing. Reaktor plasma carburizing dioperasikan sesuai prosedur yang ada. Reaktor plasma diisi bendakerja ke-1, terus dihampakan, diikuti pengisian campuran gas helium dan metana pada tekanan rendah (1,6 mbar), selanjutnya diberikan tegangan tinggi pada anodakatoda. Tekanan dipertahankan 1,6 mbar. Temperatur dinaikan dari suhu kamar hingga 573 K dengan mengatur tegangan tinggi. Meter arus diamati sebagai indikator terjadinya plasma carburizing. Kondisi perlakuan ini dipertahankan selama 1 (satu) jam. Selanjunya reaktor plasma dihentikan, terus didinginkan hingga suhu kamar, dan benda kerja ke-1 diambil. Proses yang sama diberlakukan untuk benda kerja ke-2 dengan perlakuan 2 jam, bendakerja ke-3 dengan perlakuan 3 jam, bendakerja ke-4 dengan perlakuan 4 jam, dan bendakerja ke-5 dengan perlakuan 5 jam. Langkah 3 Pengujian kekerasan. Pengujian dikenakan pada semua bendakerja, baik yang mendapat perlakuan plasma carburizing (kelompok ke 1 5) maupun yang tidak mendapat perlakuan plasma carburizing (kelompok ke-6). Langkah 4 Pembandingan. Pembandingan kekerasan antara bendakerja yang telah dikenai perlakuan plasma carburizing terhadap material 331
asli yaitu yang tidak dikenai perlakuan plasma carburizing. Dengan persamaan (1) dapat dihitung bertambahnya kekerasan terhadap material asli. Selanjutnya dengan dibuat grafik kekerasan versus waktu dapat dihitung kekerasan maksimum dan waktu proses perlakuan untuk mencapai kekerasan tersebut. Dan akhirnya dengan persamaan (2) dapat dihitung peningkatan kekerasan maksimum. Hasil dan Pembahasan Hasil penelitian tertera pada Tabel 1. Dalam Tabel 1 dimuat kekerasan lapisan DLC bendakerja kelompok ke-1 sampai dengan ke-5 beserta kekerasan bendakerja kelompok ke-6 yaitu material asli (tanpa perlakuan) dan juga penambahan kekerasan sesuai persamaan (1). Tabel 1. Kekerasan dan penambahan kekerasan bendakerja Waktu perlakuan Kekerasan lapisan DLC Penambahan kekerasan 1 jam 301,37 VHN 25.32 VHN 2 jam 314,57 VHN 38.52 VHN 3 jam 327,98 VHN 51.93 VHN 4 jam 334,06 VHN 58.01 VHN 5 jam 314,51 VHN 38.46 VHN Tanpa perlakuan 276,05 VHN 0 Dari Tabel 1 dapat dibuat grafik kekerasan sebagai fungsi waktu proses perlakuan plasma carburizing, seperti tertera pada Gambar 3. Gambar 3. Grafik kekerasan versus waktu Dari Gambar 3 dapat dilihat bahwa mula-mula kekerasan naik sejalan dengan bertambahnya waktu perlakuan (plasma carburizing) dan setelah mencapai titik maksimum kekerasan menurun. Grafik kekerasan sebagai fungsi waktu memenuhi persamaan polinomial pangkat tiga, yaitu dengan y adalah kekerasan dalam satuan VHN dan t adalah waktu perlakuan dalam satuan jam. Nilai ekstrem diperoleh dari deferensiasi. Didapatkan pada saat terjadi kekerasan maksimum sebesar. Berarti ada perubahan kekerasan dari 276,05 VHN menjadi 333,91 VHN atau naik sebesar 57,86 VHN. Dari persamaan (2) dapat dihitung peningkatan kekerasan, Jadi ada peningkatan kekerasan sebesar 21 % dari material asli Kesimpulan Hasil penelitian menunjukkan bahwa kekerasan permukaan roller rantai, naik dari 276,05 VHN menjadi 333,91 VHN setelah dilakukan plasma carburizing dengan waktu perlakuan 3,77 jam, atau terjadi peningkatan kekerasan sebesar 21 % dari material asli. Saran Perlu dilakukan penambahan parameter tekanan sehingga didapatkan variasi yang lebih banyak. DaftarPustaka 1. Darwin Sebayang, Ir., 1981, Kekuatan Bahan Erlangga, Jakarta. 332
2 Zuhdi Arif A. N., Pengerasan Permukaan Mata Rantai dengan Plasma Lucutan Pijar DC dari Campuran Gas Helium dan Metana, Tugas Akhir STTN 3. Suprapto, Tjipto Suyitno, 2005, Pengerasan Permukaan Baja St 42 dengan Teknik Nitridasi Pslitbang Teknologi Maju BATAN Yogyakarta. 4. Sehah, 1997, Pembuatan Lapisan Tipis Karbon Amorf Terhidrogenasi (a-c:h) Dengan Teknik Plasma Lucutan Pijar RF, UNDIP, Semarang. 5. Robertson, 2002, Diamond Like Amorphous Carbon, Cambridge University, Cambridge. 6 Anang Dwi Prasojo, 2014, Optimasi Parameter Proses Pembentukan Lapisan Keras Permukaan Bush Rantai dengan Plasma Campuran Gas Helium- Metana, Tugas Akhir STTN 7 Bangkit Rahmat Hilca, 2012, Plasma Nitrocarburizing pada Camshaft Tipe GL-Pro dan GL- 100, Tugas Akhir STTN TANYA JAWAB Pertanyaan 1. Mengapa digunakan P = 1,6 mbar? (Slamet Pribadi) 2. Mengapa pada t = 5 jam kekerasan turun? (Safarudin) Jawaban 1. Berkaitan sebelumnya. 2. Ion karbon terdeposisi pada permukaan sehingga ada penambahan kekerasan. Setelah jenuh ion karbon hanya menempel, jadi kurang keras. 333