Berdasarkan hasil karakterisasi SEM-EDS pada serbuk Cr (poin 001 pada Gambar 3) dan serbuk Co (poin 005 pada Gambar 4) tanpa ultrasonikasi, menunjukan bahwa serbuk Cr memiliki bentuk memanjang seperti silinder dengan ukuran yang lebih besar dibanding Co. Gambar 5 memperlihatkan morfologi serbuk Co-Cr berdasarkan variasi waktu ultrasonik. Sebelum dilakukan ultrasonikasi ukuran partikel serbuk Cr memiliki rentang antara 20-60 µm. Serbuk Co memiliki bentuk yang bulat dan beraglumerasi antar partikelnya. Sebelum dilakukan ultrasonikasi ukuran partikel serbuk Co yang beraglumerasi memiliki rentang antara 9-30 µm. Setelah dilakukan ultrasonikasi hingga 12 jam bentuk dari serbuk Cr mengecil akibat tumbukan antar partikel oleh gelombang suara dengan energi tinggi, ukuran partikelnya memiliki rentang antara 12.5-25 µm.
Demikian pula dengan penggumpalan/aglumerasi
12
Gambar 4 Analisa SEM-EDS poin 005 pada serbuk Co-Cr tanpa ultrasonikasi Demikian pula dengan aglomerasi serbuk Co pecah menjadi bentuk yang lebih kecil, ukuran partikelnya memiliki rentang 6-21 µm. Setelah dilakukan ultrasonikasi selama 48 jam ukuran partikel serbuk Co dan Cr memiliki ukuran yang lebih kecil dibandingkan perlakuan sebelumnya. Dilihat dari hasil mikrografi SEM dan analisis EDS, serbuk Cr sulit untuk dianalisa karena memiliki bentuk dan ukuran yang hampir sama dengan serbuk Co. Namun aglomerasi serbuk Co masih dapat terlihat, ukuran partikelnya sekitar 8 µm.
Gambar 6(a) merupakan mikrografi SEM serbuk Co-Cr yang telah diultrasonikasi selama 24 jam, Gambar 6(b) merupakan perbesaran 4000x dari gambar 6(a). Gambar tersebut memperlihatkan adanya partikel kecil yang menempel di partikel yang berbentuk bulat dan agak besar dengan permukaan yang halus. Dapat diduga bahwa partikel besar tersebut merupakan serbuk Co yang tidak beraglumerasi, sedangkan partikel kecil merupakan serbuk Cr. Gambar
13
Gambar 5 Morfologi serbuk Co dan Cr berdasarkan variasi waktu ultrasonikasi
Gambar 6 Mikrografi SEM serbuk Co-Cr setelah ultrasonikasi selama 24 jam: (a)
overview; (b) perbesaran dari gambar 3(a)
7(a) merupakan bagian dari Gambar 4 yang diindikasi adanya paduan (poin 001), hasil analisa EDS (Lampiran 3) yang menunjukan bahwa terdapat komposisi Cr yang cukup besar yaitu 24,45%, dan 71.65% Co. Gambar 7(b) juga merupakan bagian dari Gambar 6 (poin 002), menurut hasil analisisi EDS (Lampiran 3) titik
14
tersebut merupakan partikel Co yang memiliki ukuran besar dengan komposisi 92.81% dan Cr 1.6%. Berdasarkankan komposisi yang diperoleh, diindikasi bahwa partikel Cr mulai menempel atau bertumbukan dengan partikel Co. Hal ini diperkuat dengan hilangnya puncak Cr pada posisi 2� 115.6622o berdasarkan data karakterisasi XRD (keterangan tersebut dapat terlihat pada Gambar 8). Namun tidak semua titik yang diindikasi menunjukan hal yang sama. Pada titik lain dilakukan pula analisis SEM-EDS, Gambar 7(c) merupakan perbesaran partikel yang diindikasi (poin 003). Hasil analisa EDS yang diperoleh (Lampiran 3) menunjukan komposisi 80.84% Cr dan 18.19% Co. Gambar 7(d) merupakan bagian dari Gambar 5 yang diindikasi di titik lain (spot 001), sedangakan hasil analisa EDS (Lampiran 3) menunjukan komposisi yang terbentuk pada spot 001 yaitu 1.82% Cr dan 94.4% Co. Hal ini menunjukan bahwa kedua partikel tersebut belum berpadu secara merata. Komposisi serbuk Co dan Cr dari hasil analisis EDS terangkum pada Tabel 1.
Gambar 7 Analisis SEM setelah ultrasonikasi selama 24 jam, bagian dari Gambar 3 yang diindikasi terbentuknya paduan: (a) perbesaran 4000x (poin 001); (b) poin 002; (c) poin 003; (d) bagian dari Gambar 3(a) dengan perbedaran 2000x yang diindikasi (spot 001)
Tabel 1 Data analisa EDS setelah ultrasonikasi 24 jam Titik
analisa
Massa (%) Error (%) Atom (%)
Co Cr Co Cr Co Cr
Poin 001 71.65 24.45 0.19 0.09 62.11 24.02
Poin 002 92.81 1.60 0.25 0.12 79.09 1.55
Poin 003 18.19 80.84 0.18 0.09 16.04 80.79
15
Analisis Struktur
Gambar 8 Pola difraksi serbuk Co-Cr dari variasi waktu ultrasonikasi: (1) 0 jam, (2) 3 jam, (3) 6 jam, (4) 12 jam, (5) 24 jam, (6) 48 jam; dan padatan CoCr: (1 s)
sinter sampel 1, (4 s) sampel 4, (5 s) sampel 5, (6 s) sampel 6.
Dalam penelitian ini, sampel yang diuji memiliki tiga fasa, yaitu fasa hcp-Co, fcc-hcp-Co, dan bcc-Cr. Keterangan ini diperoleh dari analisis hasil difraksi sinar-X dengan menggunakan program Highscore Plus berdasarkan data International Center for Diffraction Database (ICDD) no. 00-001-1278 (a=b=2.5140Å, c=4.1050Å) untuk hcp-Co, 00-015-0806 (a=b=c=3.5447Å) untuk fcc-Co, dan no. 00-006-0694 (a=b=c=2.8839Å) untuk bcc-Cr yang terdapat di dalam program (Lampiran 4). Pola difraksi sinar-X dari serbuk Co-Cr yang dibuat dengan metode ultrasonikasi selama 0, 3, 6, 12, 24, dan 48 jam serta sampel 0, 12, 24, dan 48 jam waktu ultrasonikasi yang telah di-sinter ditunjukan pada Gambar 8.
Pada Gambar 8 terlihat bahwa semakin bertambahnya waktu ultrasonikasi intensitas puncak Cr semakin berkurang, sedangkan puncak-puncak Co tidak mengalami banyak perubahan. Fasa fcc memiliki intensitas yang lebih rendah dibandingkan fasa hcp, semakin bertambahnya waktu ultrasonikasi puncak fcc meluruh meskipun perubahannya tidak signifikan. Perubahan struktur fasa mulai terlihat setelah dilakukan ultrasonikasi selama 48 jam, puncak fcc pada posisi 2θ 51.46o dan puncak bcc-Cr pada posisi 2θ 115.66o hilang. Dari keterangan tersebut dapat diduga bahwa fasa fcc mulai bertransformasi menjadi fasa hcp dan partikel Cr mulai masuk ke dalam matriks Co meskipun perubahannya hanya sedikit. Setelah dilakukannya proses sintering terhadap sampel 1, 4, 5 dan 6 tampak bahwa fasa bcc hilang. Padatan Co-Cr tersusun dari fasa fcc dan hcp. Setelah dilakukan proses ultrasonikasi selama 48 jam fasa fcc pada posisi 2θ 51.47o dan 75.67o hilang. Padatan paduan Co-Cr yang telah diultrasonikasi selama 48 jam memiliki fasa tunggal yaitu hcp.
16
Dari data difraksi sinar-X dilakukan pula analisis dengan menggunakan program Highscore Plus untuk mengetahui ukuran kristal dan persentase tegangan-mikro dari sampel. Tabel 2 memperlihatkan nilai ukuran kristal dan persentase tegangan-mikro terhadap waktu ultrasonikasi pada serbuk Co-Cr. Gambar 9 memperlihatkan grafik hubungan antara ukuran kristal serbuk Co-Cr terhadap waktu ultrasonikasi. Semakin lama waktu ultrasonikasi semakin kecil ukuran kristal yang terbentuk. Hal ini menunjukan bahwa perlakuan gelombang ultrasonik dapat memperkecil ukuran partikel suatu material, sehingga ukuran kristal juga menjadi kecil.
Gambar 10 memperlihatkan hubungan antara persentase tegangan-mikro terhadap waktu ultrasonikasi pada serbuk Co-Cr. Semakin lama proses ultrasonikasi semakin besar nilai persentase tegangan-mikro. Hal ini disebabkan karena dengan semakin mengecilnya ukuran partikel seiring bertambahnya waktu ultrasonikasi maka tegangan antar partikel menjadi besar. Persentase tegangan-mikro bcc-Cr pada perlakuan ultrasonikasi 48 jam mengalami penurunan, diduga karena Cr mulai bergabung dengan Co.
Tabel 2 Data ukuran kristal dan tegangan-mikro Co-Cr terhadap waktu ultrasonikasi dari ketiga struktur fasa
Sampel Struktur fasa sampelNo. Waktu (jam) Tegangan-mikro (%) kristal (nm)Ukuran
Serbuk HCP-Co 1 0 0.251 35.951 2 3 0.247 35.706 3 6 0.263 32.606 4 12 0.318 26.737 5 24 0.345 24.793 6 48 0.381 21.358 FCC-Co 1 0 0.227 36.183 2 3 0.239 31.648 3 6 0.267 27.067 4 12 0.320 22.434 5 24 0.337 22.081 6 48 0.347 21.238 BCC-Cr 1 0 0.333 29.878 2 3 0.324 24.526 3 6 0.337 23.444 4 12 0.481 21.206 5 24 0.509 20.067 6 48 0.459 17.371
17
Gambar 9 Ukuran kristal masing-masing struktur fasa yang terbentuk terhadap waktu ultrasonikasi dari serbuk Co-Cr
Gambar 10 Persentase tegangan-mikro masing-masing struktur fasa yang terbentuk terhadap waktu ultrasonikasi dari serbuk Co-Cr
Tabel 3 memperlihatkan nilai ukuran kristal terhadap waktu ultrasonikasi pada padatan Co-Cr. Gambar 11 yang menunjukan hubungan antara ukuran kristal padatan Co-Cr terhadap waktu ultrasonikasi, semakin lama waktu ultrasonikasi semakin kecil ukuran kristal yang terbentuk. Gambar 12 merupakan hubungan antara teganan-mikro padatan Co-Cr terhadap waktu ultrasonikasi, semakin lama proses ultrasonikasi semakin besar nilai persentase tegangan-mikro. Sama halnya dengan serbuk Co-Cr, Hal ini disebabkan karena dengan semakin mengecilnya ukuran partikel seiring bertambahnya waktu ultrasonikasi maka tegangan antar partikel menjadi besar. Struktur fasa yang dominan pada sampel padatan Co-Cr merupakan fasa hcp, terlihat dari intensitas difraksi sinar-X yang lebih tinggi dan ukuran kristal hcp yang lebih besar dibanding fcc.
15 20 25 30 35 40 0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 Uk ura n k rista l (nm )
Waktu ultrasonikasi (jam)
L hcp-Co L fcc-Co L bcc-Cr 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 T eg a ng a n -m ik ro ( %)
Waktu ultrasonikasi (jam)
d hcp-Co d fcc-Co d bcc-Cr
18
Tabel 3 Data ukuran kristal padatan Co-Cr terhadap waktu ultrasonikasi dari kedua struktur fasa
Sampel Struktur fasa sampelNo. Waktu (jam) Tegangan-Mikro (%) kristal (nm)Ukuran
Padatan HCP-Co 1S 0 0.307 32.907 4S 12 0.370 24.690 5S 24 0.438 22.359 6S 48 0.428 21.211 FCC-Co 1S 0 0.298 34.084 4S 12 0.313 29.197 5S 24 0.355 23.611 6S 48 0.352 21.850
Gambar 11 Ukuran kristal masing-masing struktur fasa yang terbentuk dari padatan
Co-Cr
Gambar 12 Persentase tegangan-mikro masing-masing struktur fasa yang terbentuk dari padatan Co-Cr
20 25 30 35 0 12 24 36 48 60 Uk ura n k rista l (nm )
Waktu ultrasonikasi (jam)
L hcp-Co L fcc-Co 0.28 0.31 0.34 0.37 0.4 0.43 0.46 0 12 24 36 48 60 T eg a n g a n -m ik ro ( %)
Waktu ultrasonikasi (jam)
d hcp-Co d fcc-Co
19 Dari data difraksi sinar-X dilakukan pula analisis dengan menggunakan program MAUD (Material Analysis Using Diffraction) untuk mengetahui panjang parameter kisi dari ketiga fasa yang terbentuk. Data bcc-Cr diperoleh dari Crystallography Open Database (COD) dengan nomor kode 9012950 (a=b=0.25054 nm, c=0.40893 nm) untuk hcp-Co, 9012949 (a=b=c=0.35441 nm) untuk fcc-Co, dan 9008531 (a=b=c=0.28839 nm) untuk bcc-Cr. Data-data tersebut digunakan dalam proses fitting dengan program MAUD, program ini berbasis pendekatan metode Rietveld sehingga semua parameter di-refine dengan meminimalkan iterasi pangkat terkecil dari parameter residu. Semakin mendekati 1 maka GOF/kualitas refinement semakin baik atau ideal. Gambar 13 merupakan hasil refinement sampel serbuk setelah dilakukan ultrasonikasi selama 48 jam dengan menggunakan program MAUD, sedangkan Gambar 14 merupkan sampel padatan. Data kualitas refinement dari variasi waktu ultrasonikasi diperlihatkan pada Tabel 4. Nilai GOF yang diperoleh memiliki angka yang cukup besar, hal ini disebabkan karena background pada data difraksi yang besar, sehingga program mendapatkan data galat pada saat dilakukan refinement.
Tabel 4 Data kualitas refinement pola difraksi Co-Cr terhadap waktu ultrasonikasi
Sampel No. sampel Waktu (jam) GOF*
Serbuk 1 0 1.573 2 3 1.631 3 6 1.846 4 12 1.425 5 24 1.777 6 48 1.577 Padatan 1s 0 1.852 4s 12 1.918 5s 24 1.896 6s 48 1.764
*GOF (Goodness of Fit): kualitas refinement program MAUD (Material Analysis Using Diffraction)
Gambar 13 Rietveld refinement dalam program MAUD dari pola difraksi XRD serbuk Co-Cr pada waktu ultrasonikasi 48 jam.
20
Gambar 14 Rietveld refinement dalam program MAUD dari pola difraksi XRD bulk Co-Cr waktu ultrasonikasi 48 jam.
Tabel 5 Nilai parameter kisi referensi dan hasil refinement pada sampel 1 dan 6 Sampel Struktur fasa COD Sampel 1 Sampel 6
No. ID a (nm) c (nm) a (nm) c (nm) a (nm) c (nm) Serbuk HCP-Co 9012950 0.25054 0.40893 0.25070 0.40725 0.25074 0.40699 FCC-Co 9012949 0.35441 0.35418 0.35411 BCC-Cr 9008531 0.28839 0.28823 0.28827 Padatan HCP-Co 9012950 0.25054 0.40893 0.25130 0.40657 0.25230 0.41223 FCC-Co 9012949 0.35441 0.35227 0.35232
Hasil refinement program MAUD didapatkan data parameter kisi terhadap variasi waktu ultrasonikasi dari ketiga fasa yang terbentuk. Parameter kisi seiring bertambahnya waktu ultrasonik tidak mengalami perubahan yang berarti. Gambar 15 dan 16 memperlihatkan kestabilan parameter kisi terhadap variasi waktu ultrasonikasi pada sampel serbuk dan padatan. Nilai parameter kisi serbuk Co-Cr sebelum dilakukan ultrasonikasi (sampel 1) untuk hcp-Co yaitu a=b=0.25070 nm dan c=0.40725 nm, untuk fcc-Co a=b=c=0.35418 nm, dan untuk bcc-Cr a=b=c=0.28823 nm. Setelah serbuk Co-Cr diultrasonikasi selama 48 jam (sampel 6) nilai parameter kisi untuk hcp-Co yaitu a=b=0.25074 nm dan c=0.40699 nm, fcc-Co a=b=c=0.35411 nm, dan bcc-Cr a=b=c=0.28827 nm. Sedangkan nilai parameter kisi untuk padatan Co-Cr dari sampel sebelum dilakukan ultrasonikasi (sampel 1S) untuk hcp-Co yaitu a=b=0.25130 nm dan c=0.40657 nm, dan untuk fcc-Co a=b=c=0.35227 nm. Parameter kisi padatan Co-Cr setelah serbuk diultrasonikasi selama 48 jam (sampel 6S) untuk hcp-Co memiliki nilai yaitu a=b=0.25230 nm dan c=0.41223 nm, dan fcc-Co a=b=c=0.35232 nm. Data tersebut menunjukan bahwa perlakuan ultrasonik dan sintering tidak mempengaruhi nilai parameter kisi. Data tersebut terangkum pada Tabel 5.
21
Gambar 15 Perubahan parameter kisi terhadap waktu ultrasonikasi dari serbuk Co-Cr
Gambar 16 Perubahan parameter kisi terhadap waktu ultrasonikasi dari padatan Co-Cr
Sampel yang telah di-sinter (padatan), dilakukan uji kekerasan. Nilai kekerasan semakin meningkat seiring bertambahnya waktu ultrasonikasi yaitu dari 96.068+3.199 HVN menjadi 129.686+18.370 HVN setelah dilakukan ultrasonikasi selama 24 jam. Namun pada sampel 4S nilai kekerasannya menurun yaitu 110.049+0.596HVN. pada sampel 4S disetiap titik didapatkan nilai kekerasan yang tidak jauh berbeda satu sama lain, hal tersebut menunjukan bahwa sampel 4S lebih homogen. Nilai kekerasanya menurun, diduga karena antar partikel mulai berpadu sehingga partikelnya membesar ketika di-sinter.
y = 3E-07x + 0.354 y = 9E-06x + 0.250 y = 1E-05x + 0.406 y = 6E-06x + 0.288 0.23 0.28 0.33 0.38 0.43 0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 P a nja ng pa ra m et er k is i (nm )
Waktu ultrasonikasi (jam)
a fcc-Co a hcp-Co b hcp-Co a bcc-Cr y = 3E-05x + 0.250 y = 0.000x + 0.405 y = 5E-06x + 0.352 0.23 0.28 0.33 0.38 0.43 0 12 24 36 48 60 P a nja ng P a ra m et er k is i (nm )
Waktu ultrasonikasi (jam)
a hcp-Co c hcp-Co a fcc-Co
22
Tabel 6 Nilai kekerasan padatan Co-Cr terhadap waktu ultrasonikasi
Sampel Lokasi d1 (µm) d2 (µm) HVN HVN + σ 1S 1 1.76 1.76 95.785 96.068 + 3.199 2 1.77 1.77 94.706 3 1.80 1.80 91.575 4 1.73 1.73 99.136 5 1.73 1.73 99.136 Rata-rata 96.068 4S 1 1.65 1.65 108.982 112.080 + 5.046 2 1.57 1.57 120.372 3 1.64 1.64 110.315 4 1.62 1.62 113.056 5 1.66 1.66 107.673 Rata-rata 112.080 5S 1 1.67 1.67 106.387 129.686 + 18.370 2 1.60 1.6 115.900 3 1.40 1.4 151.380 4 1.45 1.45 141.120 5 1.49 1.49 133.644 Rata-rata 129.686 6S 1 1.65 1.65 108.982 110.049 + 0.596 2 1.64 1.64 110.315 3 1.64 1.64 110.315 4 1.64 1.64 110.315 5 1.64 1.64 110.315 Rata-rata 110.049
Padatan Co-Cr setelah diuji kekerasan dilakukan pula uji optik untuk mengetahui struktur mikro pada sampel. Gambar 17 memperlihatkan mikrostruktur padatan Co-Cr dengan perbesaran 10x. Daerah yang gelap merupakan pori-pori material, hal tersebut menunjukan bahwa masih terdapat ruang kosong antar partikel. Pori pada sampel 1S lebih besar dibandingkan pori pada sampel 4S, yatu sampel yang telah diultrasonikasi selama 12 jam. Pori pada sampel 5S lebih kecil dari sampel 4S namun lebih banyak. Sampel yang memiliki pori terbanyak adalah sampel 6S. Hal tersebut yang menyebabkan nilai kekerasan pada sampel 6S lebih kecil dari sampel 2S dan 4S. Meskipun demikian, sampel 6S lebih homogen dibandingkan sampel 5S karena disetiap tempat pada sampel 6S memiliki nilai kekerasan yang relatif sama.
23
Gambar 17 Struktur mikro padatan Co-Cr sebelum dietsa
24
Karakterisasi dengan SEM-EDS dilakukan pula terhadap padatan Co-Cr. Gambar 17 merupakan morfologi padatan Co-Cr yang telah dietsa dengan perbesaran 1000x. Tampak batas-batas butir yang muncul dari hasil etsa terhadap sampel, batas-batas butir tersebut menunjukan bentuk partikel dari paduan. Dari keempat sampel diperoleh pola batas butir Co-Cr yang sama. Pola tersebut serupa dengan referensi yang ditunjukan pada Gambar 2. Bagian hitam dari sampel merupakan pori. Berdasarkan hasil analisis EDS terhadap sampel 1S, komposisi yang terkandung pada pori yaitu 19,36 % Cr dan 63,74% Co. Adapun sisanya yaitu 16,90% C, karbon diperoleh kemungkinan dari kotoran atau senyawa yang terkandung pada cairan etsa. Keterangan tersebut terdapat pada Gambar 19. Gambar 20 merupakan hasil EDS terhadap sampel 4S. Hasil analisis SEM-EDS menunjukan bahwa pada matriks mencakup unsur Co dan Cr dengan komposisi 20,73% Cr dan 79,27% Co. Demikian pula pada sampel 5S yang ditunjukan pada Gambar 21 diperoleh komposisi Co dan Cr pada matriks yaitu 20,58% Cr dan 79,42% Co. Hal ini menunjukan bahwa setelah proses sintering diperoleh komposisi Co-Cr yang diharapkan yaitu sekitar 20% Cr dan 80% Co.
25
26
27