BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar belakang Baja tahan karat digunakan dalam berbagai aplikasi industri, kimia, pertambangan, dan biomaterial karena tahan korosi dan tahan aus. Kandungan krom pada baja akan membentuk lapisan pasif pada permukaan sehingga melindungi logam di bawahnya. Baja tahan karat digolongkan menjadi baja tahan karat: austenitik, feritik, martensitik, presipitasi hardening dan duplex. Dalam aplikasi medis, baja tahan karat digunakan sebagai biomaterial untuk komponen peralatan ortopedi, ortodonti, dan dental instrument. Biomaterial berada di dalam cairan tubuh berupa larutan 0,9% NaCl terdiri dari: garam-garaman, ion, serum dengan ph 7,4 dan suhu 37 o C. Biomaterial harus memenuhi syarat tahan korosi, tahan aus, dan tidak bersifat racun oleh karena ionisasi logam. Produk aus dari biomaterial menyebabkan imflamasi kronis jika terbawa oleh jaringan tubuh (Shin, dkk., 2008, Wang, dkk., 2010, Alvarez, dkk., 2009). Bedah tulang dan saraf dalam tindakan medis merupakan proses micromachining, yaitu pemesinan dengan tingkat ketelitan skala mikro. Pembedahan tulang dan saraf memerlukan ketelitian tinggi, dan tindakan operasi harus diselesaikan dalam waktu cepat, karena kerusakan dan akurasi pada pembedahan sangat dipengaruhi hasil postoperatif selama pemotongan. Panas yang timbul pada saat pembedahan sedapat mungkin dihindari, karena dapat menyebabkan nekrosis sel-sel tulang dan saraf (Shin, dkk., 2008) Baja AISI 410 termasuk baja tahan karat martensitik, dalam aplikasi biomaterial digunakan sebagai cutting instrument dan non cutting instrument (ASTM F 899-02, 2006). Ketahanan korosi baja tahan karat martensitik lebih rendah dibandingkan baja austenitik dan feritik. Baja AISI 410 memiliki kekerasan terendah dibandingkan baja tahan karat grid-4 lainnya, sehingga ketahanan aus dan korosinya masih terus dilakukan perbaikan (ASTM F 899-02, 2006, Corengia, dkk., 2006, Smith, 1993). Baja AISI 410 memiliki kandungan Cr 1
antara 11,50-13,50%, dimana merupakan kandungan Cr paling rendah untuk golongan baja tahan karat, dan rentan mengalami korosi pitting (Corengia, dkk., 2004, Li dan Bell, 2006, ASTM F 899 02, 2006). Peningkatan sifat mekanis baja AISI 410 masih terus dilakukan hingga saat ini. Pengerasan permukaan pada baja AISI 410 dengan gradien termal tinggi seperti karburising, karbonitriding, sianiding dan nitriding dapat menyebabkan distorsi, retak dan warping untuk komponen-komponen kecil dan rumit (ASM, 1982, Kalpakjian, 1985). Difusi termokimia dengan suhu tinggi menyebabkan distorsi pada material dan mempengaruhi kekasaran permukaan tool (Bay, dkk., 2010). Plasma nitriding pada permukaan baja AISI 410 tidak direkomendasikan untuk lingkungan korosif (ASM, 1982., Sinha, 2003). Plasma nitriding suhu rendah pada baja AISI 410 memiliki potensial korosi tinggi dan bertambah besar jika suhunya juga dinaikkan, akan tetapi peningkatan suhu tersebut menyebabkan warping dan distorsi yang tidak diinginkan (Li dan Bell, 2006). Perlakuan nitriding merupakan proses larutan padat pada permukaan, dimana proses pada suhu di bawah 400 o C dapat memperbaiki koefisien gesek permukaan substrat jika dibandingkan perlakuan quench dan temper. Proses nitriding suhu di atas 400 o C menyebabkan koefisien gesek bertambah besar karena kekasaran permukaan juga semakin meningkat, dimana hal ini berpengaruh terhadap laju korosi (Marchev, dkk., 1998). Deposisi lapisan film dengan teknik physical vapor deposition (PVD) menghasilkan mikrostruktur yang lebih baik jika dibandingkan dengan chemical vapor deposition (CVD). Deposisi dengan teknik PVD menghasilkan tegangan sisa tekan yang lebih baik jika dibandingkan CVD. Tegangan sisa tekan akan memperbaiki surface fracture strength dan ketangguhan pada tool (Carvalho, 2001). Implantasi ion dan sputtering termasuk perlakuan permukaan teknik PVD yang dapat dilakukan pada suhu relatif rendah dan dapat memperbaiki sifat mekanis pada pahat seperti peningkatan kekerasan, tahan aus dan tahan korosi. Perlakuan permukaan dengan bahan keramik melalui teknik PVD banyak digunakan untuk memperbaiki sifat mekanis biomaterial karena mampu 2
memperbaiki sifat tahan korosi dan tahan aus (Wang, dkk., 2010, Alvarez, dkk., 2009). Pelapisan permukaan menggunakan senyawa nitrida banyak dilakukan karena tahan aus, tahan temperatur tinggi, tahan korosi, meningkatkan umur pahat, meningkatkan kekerasan, sehingga banyak diterapkan pada pelapisan cutting tool (Kim, dkk., 2010, Dobrzansky,dkk., 2006, Etaati, dkk., 2011). Senyawa nitrida dari unsur-unsur logam transisi, seperti Ti, Cr, W, dan unsur lainnya terutama dari golongan IVB, VB dan VIB sistem periodik unsur banyak digunakan sebagai bahan pelapis dengan teknik PVD, karena sifat senyawa yang dihasilkan dari unsur-unsur tersebut tahan aus. Senyawa nitrida yang terbentuk dari unsur tersebut kebanyakan dihasilkan melalui proses magnetron sputtering atau arc evaporation (Stueber, dkk., 2009). Unsur Al memiliki konduktifitas termal dan bending strength yang baik sehingga banyak digunakan sebagai pembentuk senyawa nitrida selain logam transisi nitrida dari unsur-unsur golongan IVB, VB dan VIB (Godbole, dkk., 1999). Sputtering dan implantasi ion termasuk teknik pelapisan PVD menghasilkan tegangan sisa tekan pada permukaan material. Tegangan sisa tekan pada permukaan memberikan efek peningkatan kekerasan, umur fatik, ketahanan abrasi dan ketahanan aus (Ferreira, dkk., 1997, Dobrzansky, dkk., 2009, Benrabah, dkk., 1999). Penelitian ini mengkaji pengaruh lapisan nitrida TiN, CrN, WN dan AlN dengan metode implantasi ion dan sputtering pada permukaan baja AISI 410 dengan variabel proses waktu deposisi terhadap sifat mekanis, korosi dan tegangan sisa permukaan. Sifat mekanis yang diteliti adalah kekasaran, kekerasan, laju aus. Penelitian ini juga mengkaji laju korosi dan tegangan sisa permukaan yang dihasilkan oleh deposisi lapisan. Penelitian ini diharapkan menghasilkan permukaan baja AISI 410 yang memiliki sifat mekanis dan tahan korosi yang baik. 3
1.2 Perumusan Masalah Berdasarkan uraian latar belakang, maka penelitian ini mengangkat beberapa masalah sebagai berikut: 1 Bagaimana pengaruh deposisi TiN, CrN, WN dan AlN dengan teknik sputtering terhadap sifat mekanis dan ketahanan korosi pada baja tahan karat AISI 410? 2 Bagaimana pengaruh deposisi TiN, CrN, WN dan AlN dengan teknik implantasi ion terhadap sifat mekanis dan ketahanan korosi pada baja tahan karat AISI 410? 1.3 Keaslian Penelitian Keaslian dan keterbaruan penelitian ini terletak pada baja AISI 410 sebagai material substrat yang diberi perlakuan implantasi ion, sputtering, sputtering + implantasi ion, dan ko-implantasi ion. Penelitian pendahuluan dilakukan sebelumnya diantaranya oleh: Wen, dkk., (2007) meneliti pengaruh implantasi ion N + terhadap sifat mekanis baja SKD-61. Ebrahimian, dkk., (2009) melakukan implantasi ion N + pada lapisan Ti yang dideposisikan dengan metode ion beam sputtering pada baja AISI 304. Ko-implantasi ion (Cr + N) pada baja AISI 304L dan SAE 2205 diteliti sebelumnya oleh Abreu, dkk., (2008). Pengaruh deposisi metode unbalanced magnetron sputtering terhadap karakteristik lapisan dilakukan sebelumnya oleh Bielawski, dkk., (2005). Fokus pengembangan dalam riset ini yang membedakan dengan riset sebelumnya adalah: 1. D.C. magnetron sputtering TiN, CrN, AlN dan WN pada baja AISI 410 2. Implantasi ion TiN pada baja AISI 410 3. Implantasi ion N pada baja AISI 410 terdeposisi d.c. magnetron sputtering Al; implantasi ion N pada baja AISI 410 terdeposisi d.c. magnetron sputtering W. 4. Implantasi ion N pada baja AISI 410 terimplantasi ion Cr. 4
1.4 Tujuan Penelitian Tujuan pelaksanaan penelitian ini adalah: 1. Untuk mengetahui pengaruh variasi waktu sputtering TiN, CrN, AlN dan WN pada permukaan baja AISI 410 terhadap kekasaran permukaan, kekerasan, keausan spesifik dan laju korosi. 2. Untuk mengetahui pengaruh variasi waktu implantasi ion TiN pada permukaan baja AISI 410 terhadap kekasaran permukaan, kekerasan, keausan spesifik dan laju korosi. 3. Untuk mengetahui pengaruh variasi waktu implantasi ion N pada permukaan baja AISI 410 terdeposisi d.c. magnetron sputtering Al terhadap kekasaran permukaan, kekerasan, keausan spesifik dan laju korosi. 4. Untuk mengetahui pengaruh variasi waktu implantasi ion N pada permukaan baja AISI 410 terdeposisi d.c. magnetron sputtering W terhadap kekasaran permukaan, kekerasan, keausan spesifik dan laju korosi. 5. Untuk mengetahui pengaruh variasi waktu implantasi ion N pada baja AISI 410 terimplantasi ion Cr terhadap kekasaran permukaan, kekerasan, keausan spesifik dan laju korosi. 1.5 Manfaat Penelitian Manfaat yang diharapkan dari hasil penelitian ini adalah: 1. Kontribusi dalam hal peningkatan sifat-sifat mekanis baja tahan karat AISI 410 dengan sputtering dan implantasi ion 2. Memperoleh permukaan baja AISI 410 yang tahan korosi sehingga lebih aman digunakan untuk peralatan medis. 5