Pengaruh Implantasi Ion Krom Terhadap Ketahanan Lelah Baja Karbon Rendah (ZulJlanij)

PENGARUH IMPLANTASI ION KROMTERHADAP KETAHANAN LELAH BAJA KARBON RENDAH

Zulhanif1, Mudjijana2 daD Tjipto Suyitno3I Jurusan Teknik Mesin, FT -UNllA

n. Prof. dr. Soemantri Brojonegoro No.1, Gedung Meneng, Bandar Lampung2Jurusan Teknik Mesin, FT -UGM

JI. Grafika 2, YogyakartaJpusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Maju (P3TM) -BATAN,

JI. Babarsari, Kotak Pas : 8 Yogyakarta 5500

ABSTRAK

PENGARUH IMPLANTASI ION KROM TERHADAP KETAHANAN LELAH BAJA KARBON RENDAH. Telahdilakukan penelitian pengaruh implantasi ion krom terhadap ketahanan lelah baja karbon rendah. Bahan dari baja karbon rendahdengan diameter 16 mm, dibuat benda uji lelah menurut standar ASTM E 466. Proses implantasi ion dilakukan variabel dosis danenergi ion menggunakan akselerator ion jenis Cockr;oft Walton. Pengujian ketahanan lelah dilakukan dengan mesin rotary bendingpacta benda uji tanpa implantasi dan yang diimplantasi pacta kondisi suhu kamar, suhu 250 °C, dan di annealing. Sebagai tambahandilakukan pengujian sifat fisik dan mekanik seperti kekerasan, kekasaran permukaan, bentuk permukaan patahan. Hasil penelitianmenunjukkan bahwa proses chromizing dengan implantasi ion krom mengubah kekerasan, kekasaran permukaan dan ketahananlelah baja karbon rendah menjadi lebih baik. Angka kekerasan optimum dicapai pacta dosis 5,234xl015 ion/cm2 dan energi 80 keYyaitu sekitar 305 VHN 0,01 sedangkan kekerasan awal adalah sekitar 206 VHN 0,01, artinya terjadi peningkatan kekerasansekitar 50%. Strukturmikro lapisan yang dihasilkan tampak lebih kecil dari rase induknya dan kekasaran permukaan lebih halus.Implantasi ion krom pacta suhu kamar meningkatkan ketahanan lelah 7,1 %, dan pacta suhu 250 °C menurunkan ketahanan lelah6,6 %, dan pacta kondisi annealing tidak banyak pengaruhnya.

Kala kunci : Chromizing, implantasi ion, ketahanan lelah

ABSTRACT

THE INFLUENCE OF CHROMIUM ION IMPLANTATION ON THE FATIGUE RESISTANCE OF LOWCARBON STEEL The effect of chromium ion implantation on the tatigue resistance of low carbon steel has been investigated.The 16 mm diameters low carbon steel is used as fatigue specimen according to ASTM E 466 standard. The ion implantationprocess is done at dose and ion energy to obtain optimum hardness using a Cockroft Walton ion accelerator. Using rotary bendingmachine toward the unimplantation testing material and the implantation one at room temperature, 250 DC, and annealingconditions were carried out fatigue resistance testing. As support testing, had been tested physical and mechanical properties thatconsists of the testing of micro hardness, surface roughness, micro and macro observation. The research resulted that chromizingprocess, which use chromium ion implantation, has changed the hardness, surface roughness, and fatigue resistance of the lowcarbon steel become better. Optimum hardness reached at the dose of 5.234 x 1015 ionlcm2 and energy 80 keY is approximatelyat 305 VHN 0.01, compare with the first hardness that is approximately at 206 VHN 0.01. So, it was up about 50%. Themicrostructure of the produced coat is seen denser than the former phase, and the surface roughness is more smooth. Thechromium ion implantation on law carbon steel can increase on fatigue resistance at room temperature of 7 .1 %, can decrease onfatigue resistance at 250 DC of 6.6 %, and is uneffected on the annealing condition.

Key words: Chromizing, ion implantation, fatigue resistance

PENDAHULUAN

mekanik permukaan logam. Logam yang dilapisichromium lebih tahan korosi dan lebih tahan aus [1].Pelapisan permukaan logam dengan chromium biasanyadipakai dengan metode electro plating ataupun packcementation. Pacta metoda pack cementation dilakukanpacta suhu yang re1atif tinggi. Proses tersebut sangatmemungkinkan terjadinya thermal stresc'i danpembesaran ukuran butir bahan. Hal ini dapat

Dalam penggunaan bahan untuk peralatanpemesinan dipilih bahan dengan biaya pembuatannyarelatif murah dan mempunyai sifat fisik dan mekanik baik.Sifat fisik dan mekanik dari baja karbon sangat ditentukanoleh unsur kandungannya. Chromium merupakan salahsatu unsur yang banyak dipakai untuk pelapisanpermukaan logam, di mana penambahan chromium padapermukan logam dapat memperbaiki sifat fisik daD

Prosiding Pertemuan llmiah llmu Pengetahuan don Teknologi Bahan 2002Serpong, 22 -23 Oktober 2002 ISSN1411-2213

diimplantasi dan diimplantasi pada kondisi kekerasanoptimum diuji lelah menggunakan mesin Rota,:ybending dengan variasi pada suhu kamal, 250 °C, dan diannealing. "4nnealing dilakukan pada suhu 900 °C danditahan selama 30 menit.

Tabell. Komposisi unsur bahan uji (% berat)

Unsur % (berat)

99,15

0,065

0,362

0,012

0,021

0,069

~0,107

0,081

Unsur % (berat)

0,004

0,001

0,000

0,000

0,000

0,039

0,011

0,008

0,000

~~

menurunkan kekuatan lelah bahan tersebut.Implantasi ion merupakan salah satu jenis

perlakuan yang dilakukan pada permukaan logam yangbertujuan memperbaiki sifat-sifat permukaan logamtersebut. Kelebihan dati teknik implantasi iondiantaranya adalah proses dapat dilakukan dalam waktuyang relatif cepat, tidak menyebabkan terjadinyathermal stress, karena proses pengeIjaan dilakukan padasuhu kamar [2]. Selama proses implantasi, ion-ion dopanditembakkan ke bahan target, sehingga ion-ion dopanakan kehilangan energi daD akhirnya berhenti pada jaraktertentu dati permukaan target [3].

Penelitian ini bertujuan menyelidiki pengaruhirnplantasi ion krom terhadap ketahanan lelah baja karbonrendah..

g' .N9 :

{,

Gambar 1. Benda \lji lelah (fatigue)

Lelah (fatigue) menumt ASM (1975) didefinisikansebagai proses perubahan struktur permanenprogre.s.~ive /oca/izedbahan yang berada pada kondisiyang menghasilkan fluktuasi regangan daD tegangan dibawah kekuatan tariknya, pada satu titik atau banyaktitik yang dapat bermuara menjadi retakan (crack) ataupatahan (fracture). Hotta et al. [4] meneliti pengaruhkombinasi teknik pelapisan terhadap ketahanan lelahbaja karbon rendah. Hasil penelitian menunjukkan :( 1). kekuatan lelah ditentukan oleh kekuatan patah darilogam dasar daD tergantung tegangan sisa lapisanpermukaan, (2) pelapisan dengan chromium platingmenumnkan kekuatan lelah.

Pengujian lelah dilakukan dengan mesinRotarybending. Jika benda uji diputar dan diberi beban, makaakan terjadi momen lentur pada benda uji. Momen lenturini menyebabkan terjadinya tegangan lentur padapermukaan benda uji daD besarnya dihitung dengan

persamaan [5].

BASIL DAN PEMBABASAN

Basil Pengujian Strukturmikro

Hasil uji strnkturmikro terlihat pada Gambar 2dan Gambar 3.a= WL/2

;l32d3kg / cm;

dengan,= Tegangan lentur ( kg/mm2 )= Beban lentur (kg.mm)= Diameter benda uji (mm)

0-

Wd

TATAKERJA

Delapan benda uji dengan komposisi un surdisajikan pada Tabel 1 berdiameter 16 mm dan tebal10 rom diimplantasi dengan ion krom menggunakanakselerator ion jenis Cockroft Walton dengan 4 variasienergi dan dosis (waktu), kemudian dilakukan ujikekerasan mikro ~ ckers dengan beban 10 grf. Benda ujipada permukaan dan penampang melintang sebelum dansetelah diimplantasi pada kondisi kekerasan optimumdiamati strukturmikronya. Disamping itu sebanyak3 benda uji sebelum dan sesudah diimplantasi ion krompada kondisi kekerasan optimum diuji kekasaranpermukaannya. Tujuh puluh dua benda uji lelah(Gambar 1) menurut standar ASTM E 466 tanpa

(b)Gambar 2. (a) Strukturmikro benda uji sebelumdiimplantasi, (b) Strukturmikro benda uji setelahproses implantasi dengan kekerasan 305 VHN 0,1.

Pengaruh Implantasi Ion Krom Terhadap Ketahanan Lelah Baja Karbon Rendah (Zulhanif)

Strukturmikro bahan uji setelah diimplantasi ionkrom terlihat mengalami pembahaan, tampak stmkturpada Gambar 3 menjadi lebih kecil daD timbulnya rasaham. Fasa ini dimungkinkan FeCr yang mempakansenyawa ion chromium yang ditembakkan dengan ionbesi.

mengeser atQm-atom Fe dan mensubstitusi sampaikepadatan atom mencapai kekerasan maksimum.Peningkatan dosis selanjutnya akan menurunkan nilaikekerasan permukaan karena terjadi kekosongan atom-atom Fe atau atom yang ditembakkan masuk lebih jauhdari permukaan. Ion yang ditembakkan akan membentuklapisan amorf pada permukaan target [7].

350

300

250

200

150

100

~0

0"z:I:?.I:tUII)tU

Qj~QJ~Gombar 3. Bentuk strukturmikro benda uji pada penampang

melintang yang mempunyai 305 VHN 0,01

Basil Pengujian Lelah

Dari basil pengujian lelah yang dilakukanterhadap benda uji didapatkan data dalam bentuk grafikS- N. Pengujian lelah dilakukan pada 3 kondisi pengujian

yaitu:a. Pengujian pada suhu kamarb. Pengujian pada suhu 250 °Cc. Pengujian setelah bahan uji dilakukan proses

annealingKetiga kondisi diatas dibedakan antara sebelumdiimplantasi ion dengan sesudah diimplantasi ion.

Pengaruh implantasi ion krom pada penampangmelintang benda uji tampak bahwa dipermukaan bendamempunyai struktunnikro lebih halus dibanding dengandi bagian dalam. Ion krom yang masuk ke permukaanbenda uji dapat secara subsitusi karena jari-jari ion krorn0,063 nm danjari-jari ion besi 0,074 urn.

Basil Pengujian Kekasaran Pennukaan

Hasil pengujian kekasaran perrnukaan disajikanpada Tabel 3.

Hasil kekasaran pefi11ukaan menunjukkan bahwasetelah proses implantasi ion krom tingkat kekasaranpermukaannya lebih halus. Hal ini disebabkanpefi11ukaan benda uji yang ditembak dengan ion krommempunyai stmktUm1ikro menjadi lebih halus sehingga

memperhalus pefi11ukaan logam.

Basil Pengujian Kekerasan

Slklus (N).Non impiantasi temperanlr kamar a Non impiantasi Suhll 250

A Non impiantasi dianeaJing .Diimpiantasi suhu kamara Diimpiantasi temper an" 250 'c 0 Diimpiantasi aneaJiJlg

Gambar 5. Kurva SoN pengujian lelah

Dan grafik basil pengujian lelah dapat diamatiterjadi penurunan ketahanan lelah untuk benda uji yangdiannealing. Hal ini sangat dimungkinkan terjadi, karenasetelah proses annealing, bahan mengalami pelunakan.Tujuan perlakuan ann~aling pacta bahan dasar dalampengujian ini adalah mengurangi tegangan sisa pactabahan daD mengetahui pengaruhnya terhadapketahanan lelah bahan tersebut.

Hasil pengujian kekerasan untuk bahan dasardiperoleh harga kekerasan rata-rata sebesar 206 VHN0,01. Hasil pengujian kekerasan setelah dilakukan prosesimplantasi ion krom untuk mendapatkan kekerasanoptimum dimnjukkan pada Gambar 4.

Hasil pengujian kekerasan menunjukkan bahwakekerasan optimum terjadi pada kondisi penembakan ionkrom dengan energi 80 keY selama waktu 70 menit.Kekerasan yang didapatkan pada kondisi tersebutadalah 305 VHN 0,01, meningkat sebesar 50 % daTikekerasan awal bahan dasar.

Semakin tinggi dosis ion krom (semakin lamanyawaktu implantasi) cacat -cacat kristal yang terbentuk akansemakin banyak[6]. Ion-ion yang ditembakkan (Cr)

107

Prosiding Pertemuan llmiah llmu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2002Serpong, 22 -23 Oktober 2002 ISSN 1411-2213

di pennukaan benda uji tidak sebesarpada sobekan padabahan dasar. lni menunjukkan bahwa implantasi ionchromium dapat menurunkan keuletan baja di

pennukaan.Pengujian pada suhu 250 °C, bentuk patahan

yang berupa garis-garis slip (striations) pada permukaanterlihat lebihjelas. Hal ini disebabkan pengujian padasuhu 250 °C bahan uji menjadi ulet yang akan

memperjelas garis-garis slipnya. Pengujian pada kondisiproses annealing bentuk patahan lebih tidak teratur,hat ini disebabkan bahan baja karbon rendah setelah

diploses annealing menjadi lebih ulet.

Kurva yang didapatkan untuk benda uji yangmengalami proses annealing lebih mulus, jangkauanpembebanan yang dilakukan lebih kecil. Pacta perbedaanpembebanan yang kecil sudah dapat dihasilkanperbedaan siklus lelah yang besar.

Pengujian pacta suhu 250 °C terlihat kurva lebihbergeser kearah atas, hal ini berarti terjadi peningkatanketahanan lelah. Kondisi ini dipilih karena menurut teoriketahanan lelah rnaksimum untuk baja lunak adalah pactasuhu400 Of sampai dengan 600 Of (200 °C- 325 °C) [8].

Pacta suhu kamar terjadi peningkatan ketahananlelah sebesar 7, I %. Hal ini terjadi karena setelah bendauji mengalami proses implantasi ion krom terjadipenambahan tegangan sisa pacta permukaan benda uji.Pacta benda uji yang mengalami proses annealingsebelumnya tidak tampak perubahan ketahanan lelahyang cukup berarti, hanya terjadi sedikit peningkatanpacta siklus yang rendah. Pengujian pacta suhu 250 °Cketahanan lelah benda uji mengalami sedikit penurunanyaitu sebesar 6,6, %. Hal ini dimungkinkan terbentukrasa barn (FeCr) setelah proses implantasi ion krom yangakan menurunkan kekuatan tarik [9] dan akanmenurunkan pula kekuatan lelahnya, dan pacta kodisisuhu ini terjadi proses tempering yang menurunkankekuatan bahan.

Fino/fai/ure Retak owo! Fino/fai/ure

(a) (b) (c)

Gambar 7. Bentuk patahan setelah proses implantasiion, (a). Pengujian pada suhu kamar, (b).Pengujian padasuhu 250 DC, (c). Pengujian setelah benda dilakukanproses annealingBasil Pengujian Fotomakro Dan Patahan Benda Uji

Bentuk patahan benda uji ditunjukkan padaGambar 6 dan Gambar 7 : KESIMPULAN

Retak awa!Fina/fa;/ure R.tak awal

(a)

Dan basil penelitian dan pembahasan dapatdisimpulkan :1. Kekerasanawalbahan dasar 206 VHN 0,01 menjadi

305 VHN 0,01 setelah diimplantasi ion krom padaenergi 80 keY dan waktu 70 menit(5,234 x 1015 ion/cm2), peningkatan kekerasanpermukaan baja karbon rendah sekitar 50 %.

2. Angka kekasaran permukaan baja dari Ra = 0,11menjadi Ra = 0,08

3. Pada pengujian suhu kamar terjadi sedikitpeningkatan ketahanan lelah baja karbon rendah7,1 %, pada pengujian pada suhu 250 °C terjadipenurunanketahanan lelah 6,6 % dan pada kondisiannealing tidak banyak pengaruhnya.

(b)

Gambar 6. Bentuk patahan sebelum proses implantasiion, (a) Pengujian pada suhu kamar, (b).Pengujian padasuhu 250 .C, (c) Pengujian setelah benda dilakukan

proses annealing

UCAPAN TERIMA KASmRetak awal dimulai pada suatu titik dipennukaan

benda uji, yang kemudian merambat dan akhimya patahpada titik yang bertolak belakang dengan titik dimanaretak awal dimulai. Dilihat daTi bentuk patahan, bahanuji pada penelitian ini tergolong jenis baja lunak daDulet. lni terlihat daTi sobekan benda uji yang begitu besar.

Disamping itu, adanya garis-garis slip (striations), yangditunjukkan oleh bidang lebih gelap yang lebih besardengan luas bidang terang (mengkilap) menunjukkanbahwa benda uji patah pada tegangan nominal yangrendah. Agak berbeda dengan bentuk patahan bahanyang diimplantasi dengan chromium (Garnbar 7), sobekan

Ucapan terima kasih khususnya kepadaDepartemen Pendidikan Nasional Ditjen DIKTI yangtelah memberikan bantuan dana penelitian melaluiproyek EEDP

Pengaruh Implantasi Ion Krom Terhadap Ketahanan Lelah Baja Karbon Rendah (ZuUlanif)

DAFTARPUSTAKA

[1].

[2].

[3J.

[4].

[5].

[6].

[7].

[8].

[9]

POLUKHIN, P., GRINBERG, B., KATENIK,S., ZHADAN, Y, V ASILYEV, D.,Metal Proces.\'Engineering, Fourth Printing, Mir Publisher,Moscow (1977)ASHWORTH, V., GRANT, W.A., PROCTER,R.P.M., Ion Implantation into Metal, PergamonPress, New York (1982)D EARNALEY; G., FREE[\.1AN,H.H, NELSON.,R S.,and STEPHEN, J. Ion Implantation. NorthHolland publishing Company Co. New YorkHOTTA, S., SARUKI,K., and ARAI, T., EnduranceLimit of Thin hard-Coated Steels in bendingFatigue, Surface and Coating Techology, 70,(1994) 121-129International For Use of ONO 'S, High Suhue

Rotating Bending Fatigue Testing Machine,Model H6HERMAN, H., Modification of The SurfaceMechanical Properties of Ferrous Alloys byNitrogen Ion Implantation, Ion Implantation IntoMetals, Ed. Ashwortth, V., Grant, W.A., danProcter, R.P.M., Pergamon Press Ltd., New York,

(1982)KRAUSS, G., Priciples of Heat Treatment of Steel ,AMAX Foundation Professor, Department ofMetallurgical Engineering, Colorado School ofMines. (1980)DIETER, GEORGE E., Metalurgi Mekanik, Jilid I,edisi ketiga, alih bahasa oleh Sriati Djaprie,Erlangga , Jakarta (1987)SURDIA, T., SAITO, S., Pengetahuan BahanTeknik, Pradnya Paramita, Jakarta (1985)