BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Biomaterial adalah substansi atau kombinasi beberapa subtansi, sintetis atau alami, yang dapat digunakan untuk setiap periode waktu, secara keseluruhan atau sebagai bagian dari sistem, menambah, atau mengganti setiap jaringan, organ atau fungsi tubuh (Williams, 1987). Implant adalah perangkat medis yang terbuat dari satu atau lebih biomaterial yang sengaja ditempatkan dalam tubuh, baik secara total atau sebagian terkubur di bawah permukaan epitel, dalam jangka waktu yang signifikan (Williams, 1987), dalam memilih material implant dipersyaratkan antara lain; diterima oleh organ tubuh, ketahanan terhadap korosi yang baik, kekuatan tarik dan tegangan luluh yang sesuai, ketahanan aus yang tinggi, dan proses pabrikasi yang baik (metode produksi, kemampuan dari material untuk steril, dan efektifitas harga) (ASM, 2005). Biomaterial yang umum digunakan untuk perangkat implant adalah biokeramik (Ganesh, dkk, 2005), biomaterial metalik, paduan kobalt, paduan titanium, baja tahan karat, dan logam lainnya (Bombac, dkk, 2007). Biokeramik mempunyai kekerasan, kekuatan, ketahanan korosi dan chemical inertness, ketahanan terhadap oksidasi, dan kekuatan yang tinggi, titik leleh yang tinggi, dan fracture toughness yang rendah maka biokeramik dapat digunakan sebagai plat penyambung tulang namun penggunaan biokeramik terbatas karena mempunyai sifat getas dan ketahanan fatik yang rendah (Ganesh, dkk, 2005). Biomaterial metalik digunakan untuk mendukung dan atau mengganti komponen kerangka. Material ini dapat digunakan untuk sendi tiruan, plat penyambung tulang, sekrup, spacer tulang belakang, katup jantung buatan, stent dan 1
implant gigi. Biomaterial metalik yang paling banyak digunakan untuk perangkat implant adalah: paduan cobalt, paduan titanium dan baja tahan karat AISI316L, bahan-bahan ini mempunyai sifat mekanik yang sangat baik, ketahanan korosi relatif tinggi dan rilis racun yang sangat kecil ketika terkena cairan tubuh adalah alasan utama baja tahan karat AISI316L dapat digunakan dalam tubuh dalam jangka waktu lama dan sesuai untuk keperluan medis (Bombac, dkk, 2005) Paduan kobalt (CoCrMo) mempunyai sifat non magnetic, tahan korosi, tahan panas dan bio compatibel,bahkan pada suhu tinggi tetap menunjukkan kekuatan yang tinggi, sifat-sifat tersebut membuat paduan tersebut dapat digunakan sebagai bahan implant. Biokompatibilitas paduan CoCrMo terkait erat dengan ketahanan korosi yang sangat baik karena kehadiran lapisan film oksida pasif yang sangat tipis yang terbentuk pada permukaan paduan. Terlepas dari ketahanan korosi paduan yang sangat baik, masih ada kekhawatiran tentang pelepasan ion logam dari implant ortopedi ke tubuh manusia. Komponen implant yang dibuat dari paduan Co-Cr dilaporkan telah menghasilkan peningkatan konsentrasi Co,Cr, dan Ni dijaringan sekitarnya. Logam ini pada umumnya digunakan pada implant gigi, peralatan penyambung tulang bahu dan pinggul, serta material pengganti lutut, namun sulit diproduksi (Bombac, dkk, 2007) dan memerlukan biaya tinggi (Ganesh, dkk, 2005) sehingga penggunaannya untuk bahan perangkat implant terbatas. Paduan titanium (Ti-6Al-Nb dan Ti-6Al-4V) mempunyai kekuatan yang tinggi, tahan korosi, dan biocompatible (Ganesh, dkk, 2005). Logam titanium banyak digunakan pada aplikasi trauma tulang (bone trauma fixation), penyambung tulang pinggul dan lutut (Bombac, dkk, 2007). Titanium dan paduannya dapat digunakan sebagai bahan implant dalam jangka waktu yang lama karena titanium adalah non magnetik, pasien dengan implant titanium bisa aman diperiksa dengan pencitraan 2
resonansi magnetik untuk jangka panjang. Pada umumnya material titanium yang digunakan sebagai implant dibuat dari titanium murni (CP-Ti) dan paduannya (Ti- 4Al-4V). Kelemahan dari logam titanium adalah tidak ekonomis, sifat ketahanan aus yang rendah, dan dimungkinkan terjadi difusi oksigen ke dalam titanium selama proses fabrikasi yang dapat mengakibatkan penggetasan pada logam titanium (Ige, dkk, 2009). Baja tahan karat memiliki sifat tahan korosi, biocompatible, dan harga lebih murah dibanding biomaterial yang lain (Ganesh, dkk, 2005). Logam jenis ini merupakan logam yang paling banyak digunakan pada aplikasi biomaterial. Salah satu baja tahan karat yang paling banyak digunakan sebagai biomaterial implant adalah baja tahan karat AISI316L (Ige, dkk, 2009). Baja tahan karat AISI 316L mempunyai sifat tahan korosi, bioinert, biocompatible, permukaan mudah dibersihkan (Bombac, dkk, 2007), baja tahan karat AISI 316L baik untuk dikembangkan karena pengunaannya yang luas (Roland, dkk, 2006) dan harga lebih murah dibanding bio material yang lain. Selain memiliki beberapa kelebihan, baja jenis ini juga memiliki beberapa kekurangan diantaranya adalah kekuatan dan ketahanan aus yang rendah, terbatasnya teknik modifikasi permukaan yang dapat diaplikasikan tanpa menghilangkan kelebihan material tersebut seperti ketahanan korosi dan keuletannya (Roland, dkk, 2006). Baja tahan karat austenitic umumnya sensitif terhadap korosi sumuran dan stess corrosion cracking. Korosi ini terjadi ketika oksidan bereaksi dengan ion klorida. Pitting lebih lanjut dipercepat oleh adanya konsentrasi oksigen pada awal pertumbuhan. Komposisi kimia baja tahan karat 316L adalah sebagai berikut: C 0,03%, 1,0%Si, 2,0%Mn, 0,045%P, 0,030%S,12,0-15,0%Ni, 16,0-18,0%Cr, dan 2,0-3,0%Mn. L menunjukkan karbon yang rendah. Ketahanan korosi ditingkatkan dengan penambahan molybdenum dan nikel serta mengurangi 3
kandungan karbon kurang dari 0,030%, jika kandungan karbon melebihi 0,030% akan terjadi peningkatan pembentukan karbida seperti Cr 23 C 6 yang mengakibatkan terjadinya presipitasi karbida pada daerah batas butir yang berdekatan dengan chromium yang akibatnya mengurangi pembentukan chromium oksida Cr 2 O 3 sebagai lapisan pasif. Lapisan pasif berfungsi sebagai penghalang terjadinya proses korosi dalam sistem paduan yang sesuai pengalaman memiliki laju korosi yang sangat tinggi dan memiliki kemampuan memperbaiki diri ketika rusak (Bombac, dkk, 2007). Beradasarkan literatur diatas maka baja tahan karat AISI 316L merupakan bahan yang efisien dikembangkan karena harganya murah dan dapat ditingkatkan sifat mekanisnya. Baja tahan karat AISI316L dapat di tingkatkan sifat mekanisnya dengan perlakuan mekanik (Dieter, 1988). Deformasi dingin merupakan perlakuan mekanik deformasi menyeluruh yang baik untuk meningkakan sifat mekanis baja tahan karat AISI 316L terutama untuk material yang berbentuk plat seperti plat penyambung tulang karena prosesnya dapat dilakukan bersamaan dengan proses pembentukan. Deformasi dingin merupakan proses deformasi plastis yang dilakukan dibawah suhu rekristalisasi bahan. Perlakuan deformasi mengakibatkan butiran menjadi memanjang dan lebih tipis (Callister, 2001; Pencheve dan Karastoyanove, 2009) juga menyebabkan terjadinya strain hardening dan peningkatan jumlah dislokasi (Domankova, dkk, 2007) Peningkatan sifat mekanis material juga dapat dilakukan dengan Surface Mechanical Attrition Treatment (SMAT). SMAT adalah salah teknik penghalusan butiran pada lapisan permukaan bahan tanpa mengubah komposisi kimia (Mahagaonkar, dkk, 2007). SMAT dilakukan dengan menumbukkan bola-bola milling secara acak pada permukaan material sehingga terbentuk lapisan dengan orde nano 4
sehingga dapat memeperbaiki sifat-sifat mekanik dari material tersebut (Lu dan Lu, 2006). SMAT mempunyai kelebihan yaitu menghasilkan tegangan tekan efek pengerjaan dingin. (Mahagaonkar, dkk, 2007). SMAT telah berhasil diterapkan pada material baja tahan karat AISI 316L (Arifvianto, dkk, 2009; Yun-wei, dkk, 2009; Roland, dkk, 2006), namun selama ini penggunaan metode SMAT belum banyak dipadukan dengan metode lainnya oleh karena itu perlu dilakukan penelitian penggabungan SMAT dan perlakuan lainya diantaranya adalah deformasi dingin. Penggabungan antara metode deformasi dingin dan SMAT pada material baja tahan karat AISI 316L diharapkan dapat menghasilkan lapisan permukaan dengan struktur nano sehingga dapat meningkatkan sifat mekanik material. 1.2. Rumusan Masalah Berdasarkan uraian diatas maka perlu dilakukan penelitian tentang pengaruh gabungan perlakuan deformasi dingin dan SMAT terhadap kekerasan, struktur mikro dan ketahanan korosi baja tahan karat AISI 316L. 1.3. Batasan Masalah Penelitian ini akan dibatasi pada: 1. Bahan yang digunakan baja tahan karat AISI 316L. 2. Deformasi dingin dilakukan dengan persen reduksi 47% dari ketebalan awal. 3. Bola baja untuk SMAT berdiameter 3,18 mm, 3,97 mm, 4,76 mm, 6,35 mm. 4. Kecepatan putaran motor untuk SMAT adalah 1400 rpm. 5. Variasi waktu SMAT 5, 10, dan15 menit. 5
1.4. Keaslian Penelitian Penelitian tentang deformasi dingin dan perlakuan SMAT merupakan kelanjutan penelitian terdahulu (Abreu, dkk, 2007; Widodo, 2010; Arivfianto, dkk, 2009, dan Wei,dkk, 2009). Penelitian ini menggabungkan perlakuan deformasi dingin dan SMAT dengan variasi durasi waktu dan ukuran bola milling SMAT. Penelitian pengaruh penggabungan deformasi dingin dan SMAT terhadap kekerasan, struktur mikro dan ketahanan korosi pada bahan baja tahan karat AISI 316L belum pernah dilakukan sehingga penelitian ini perlu dilakukan dan keaslian penelitian ini dapat dipertanggungjawabkan. 1.5. Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk: 1. Mengetahui pengaruh deformasi dingin terhadap kekerasan, struktur mikro dan ketahan korosi pada material AISI 316L. 2. Mengetahui pengaruh penggabungan proses deformasi dingin dan SMAT dengan variasi diameter bola milling dan durasi waktu SMAT pada spesimen yang terdeformasi terhadap kekerasan, struktur mikro dan ketahan korosi pada material AISI 316L. 1.6. Manfaat Penelitian Meningkatkan kekerasan dan kualitas permukaan baja tahan karat AISI 316L melalui proses gabungan deformasi dingin dan SMAT. 1.7. Hipotesis Perlakuan deformasi dingin menyebabkan kekerasan dan ketahanan korosi material meningkat. Perlakuan SMAT memperhalus butiran pada permukaan material sehingga menyebakan kekerasan permukaan meningkat. 6