HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Hasil Uji Kekerasan
Proses lapisan tipis TiN pada bahan baja HSS telah dilakukan variasi suhu, waktu deposisi, dan aliran gas nitrogen dengan teknologi sputtering diharapkan diperoleh hasil yang optimal. Pada awalnya proses sputtering dilakukan variasi suhu mulai dari suhu 150˚C, 200˚C, 250˚C, dan 300˚C sedangkan untuk waktu deposisi mulai dari 30 menit, 60 menit, 90 menit dan 120 menit, aliran gas nitrogen dari 5 sccm, 6 sccm, 7 sccm, 8 sccm. Hasil dari proses sputtering dengan variasi suhu dan waktu deposisi diatas, kemudian dilakukan pengujian kekerasan yang dilakukan di Laboratorium Bahan Teknik Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik UGM dengan setiap spesimen dilakukan pengujian sebanyak 3 kali, penekanan dengan beban sebesar 10 g. Dari hasil pengujian semua spesimen, maka diperoleh spesimen dengan nilai kekerasan optimal pada kondisi parameter sputtering yaitu pada suhu 250˚C, waktu deposisi selama 90 menit dan aliran gas nitrogen 5 sccm. Hasil nilai kekerasan dengan knoop untuk variasi suhu, waktu deposisi dan aliran gas nitrogen ditunjukkan pada Tabel 4.1
Tabel 4.1 Hasil uji kekerasan dengan variasi suhu dan waktu deposisi. Suhu (˚C) Waktu deposisi (menit) Pengujian ke-I ) (
μ
m Pengujian ke- II ) (μ
m Pengujian ke-III ) (μ
m KHN1 (KHN) KHN2 (KHN) KHN3 (KHN) Rata-rata (KHN) 150˚C 30 15,1 14,9 12,7 624 640,9 882,1 715,66 60 17,8 17,5 17,2 449 464,6 480,9 464,76 90 13,8 14,3 14 747,1 695,8 725,9 722,93 120 19,0 18,6 20,6 394,1 411,2 335 380,1 200˚C 30 18,7 16,8 21,6 406,9 504,1 304,9 405,3 60 12,1 13,6 11,1 971,8 769,3 1175,9 972,33 90 9,9 14,7 9,2 1451,7 658,4 1681,1 1263,73 120 14,4 20,2 15,5 686,1 348,7 592,2 542,33 250˚C 30 20,6 26,0 23,9 335,3 210,4 249,1 264,93 60 21 24,9 23,6 322,6 229,4 255,4 269,13 90 8,0 8,6 7,7 2223,2 1923,8 2399,8 2182,26 120 14,5 13,6 15,5 676,7 769,3 592,2 679,4 300˚C 30 20,6 20,6 23,8 335,3 335,3 251,2 307,26 60 17,4 15,2 19,9 469,9 615,8 359,3 481,66 90 20,9 17,6 17,6 325,7 459,3 459,3 414,76 120 24,7 28,9 26,3 233,2 170,3 205,7 203,06Dari Tabel 4.1 dapat dibuat gambar grafik kekerasan terhadap waktu deposisi pada variasi suhu (150, 200, 250, 300) ˚C yang ditunjukkan pada Gambar 4.1 dibawah ini.
0 500 1000 1500 2000 2500 0 30 60 90 120 150
Waktu deposisi (menit)
K e k er a san ( K g /m m 2 ) suhu 150˚C suhu 200˚C suhu 250˚C suhu 300˚C
Gambar 4.1 Grafik kekerasan terhadap waktu deposisi pada variasi suhu (150, 200, 250, 300) ˚C pada aliran gas nitrogen 5 sccm Pada Gambar 4.1 menunjukkan pada suhu 250˚C dan waktu deposisi 90 menit diperoleh nilai kekerasan knoop paling tinggi, yaitu 2182,26 Kg/mm2 yang merupakan kondisi parameter sputtering optimal. Pada Gambar 4.1 semakin tinggi waktu deposisi, maka tampak adanya kenaikan nilai kekerasan hal ini disebabkan waktu untuk menumbuk permukaan target (titanium) juga lebih lama dan intensitas tumbukan yang terjadi lebih banyak sehingga atom TiN yang terlempar keluar juga lebih banyak sehingga jumlah atom-atom yang terdeposisi ke permukaan target lebih banyak juga sehingga lapisan yang terjadi lebih homogen. Hal ini juga dipengaruhi dengan adanya kenaikan
suhu semakin tinggi, maka nilai kekerasan juga naik. Suhu yang tinggi pada substrat membuat substrat (baja HSS) memuai yang mengakibatkan atom-atom HSS berjauhan letak susunan atom-atomnya dan terdapat ruang untuk diisi oleh atom-atom dari target yang maikn lama mengisi kekosongan semakin banyak sehingga lapisan yang terjadi semakin rata atau homogen yang mengakibatkan lapisan lebih tebal. Fenomena sputtering terjadi sampai pada kondisi suhu 250˚C dan waktu deposisi 90 menit, namun pada suhu 300˚C dan waktu deposisi 120 menit kekerasan mengalami penurunan. Kondisi ini dapat dijelaskan bahwa pada kondisi ini suhu substrat yang semakin tinggi mencapai 300˚C menyebabkan substrat memuai yang menjadikan ikatan antar atom-atom pada substrat semakin longgar dan ruang kosong semakin besar sehingga atom-atom yang terdeposisi berebutan untuk mengisi kekosongan dan ada sebagian atom-atom target tidak memperoleh tempat yang menghasilkan lapisan yang tipis dan tidak homogen. Pada saat pengujian kekerasan pada suhu 300˚C, waktu deposisi 120 menit dan aliran gas reaktif nitrogen sebesar 5sccm diperoleh kekerasan baja HSS sebesar 203,26 Kg/mm2 mengalami penurunan kekerasan dari kekerasan pahat baja HSS mula-mula sebesar 819 kg/mm2.
Tabel 4.2 Hubungan nilai kekerasan dengan aliran gas nitrogen Aliran gas nitrogen (sccm) Kekerasan (Kg/mm2)
5 2182,26 6 247 7 265 8 394 Pada Tabel 4.2 menunjukkan hubungan nilai kekerasan dengan aliran gas reaktif nitrogen, dimana semakin banyak aliran gas reaktif nitrogen kekerasan yang terjadi mengalami penurunan. Pada Tabel 4.2 dapat dibuat Gambar grafiknya yang ditunjukkan pada Gambar 4.2
0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 4 5 6 7 8 9 Kekerasan A li ra n ga s N it roge n ( sc cm )
Gambar 4.2 Grafik hubungan kekerasan vs aliran gasreaktif nitrogen Pada Gambar 4.2 ditunjukkan bahwa semakin banyak aliran gas reaktif nitrogen yang masuk ke dalam tabung reaktor maka nilai kekerasannya semakin menurun, hal ini disebabkan kondisi tabung reaktor semakin penuh dengan aliran gas nitrogen dan yang terjadi gas sputter yaitu argon semakin
menurun sehingga atom argon yang menumbuk ke permukaan target juga semakin sedikit yang mengakibatkan atom-atom target yang terlempar atau terpercik keluar juga semakin sedikit yang mengakibatkan deposisi lapisan juga semakin tipis sehingga nilai kekerasan yang terjadi semakin menurun. 4.2 Hasil Uji Scanning Electron Microscopy (SEM) & Energy Dispersive
Spectroscopy (EDS)
Untuk mengetahui morfologi permukaan spesimen pahat baja HSS dan komposisi unsur kimia spesimen pahat baja HSS hasil sputtering dapat dilakukan proses pengujian Scanning Electron Microscopy (SEM) & Energy Dispersive Spectroscopy (EDS), dengan pengujian ini dapat diketahui morfologi permukaan spesimen pahat baja HSS sebelum di sputtering dan sesudah di sputtering serta dapat diketahui adanya penambahan unsur-unsur kimia pada spesimen pahat baja HSS setelah proses sputtering.
Pada Gambar 4.3 tampak bahwa morfologi permukaan baja HSS mula-mula masih belum adanya pelapisan. Permukaan masih rata dan halus. Untuk memastikan unsur-unsur yang terdapat dipermukaan dilakukan EDS. Pada Gambar 4.5 dapat diketahui komposisi unsur-unsur yang terdapat pada baja HSS mula-mula, antara lain 7,52% C; 1,08% V; 5,16% Cr; 86,23% Fe.
Pada Gambar 4.4 permukaan baja HSS yang dideposisikan TiN tampak adanya lapisan pada permukaan spesimen pahat baja HSS. Permukaan tampak tidak rata dan terlihat ada gumpalan besar terdapat di permukaannya. gumpalan besar tersebut merupakan TiN yang terdeposisi pada spesimen pahat baja HSS. Untuk dapat melihat morfologi permukaan dilakukan uji SEM pada Gambar 4.4
Gambar 4.4 Hasil SEM permukaan HSS yang disputtering pada suhu 250˚C, waktu deposisi 90 menit dan aliran gas reaktif nitrogen 5 sccm
Gambar 4.5 Hasil EDS dari pahat baja HSS mula-mula
Untuk memastikan adanya penambahan unsur-unsur pada permukaan baja HSS dilakukan EDS. Hasil proses EDS baja yang terdeposisi TiN pada penampang muka baja HSS dapat dilihat pada Gambar 4.6. Pada Gambar 4.6 menunjukkan adanya penambahan unsur yaitu berupa nitrogen, titanium dan oksigen. Hal ini menunjukkan proses sputtering TiN pada substrat spesimen baja HSS menunjukkan hasil dengan adanya penambahan unsur-unsur kimia yang baru jika dibandingkan dengan hasil EDS spesimen baja HSS mula-mula. Untuk unsur oksigen merupakan penambahan akibat udara luar setelah spesimen dikeluarkan dari proses sputtering. Namun disini yang terpenting adalah adanya penambahan unsur titanium dan nitrogen dalam bentuk ikatan titanium nitride (TiN) yang pada substrat akan nampak berwarna kuning keemasan. Hal ini yang menyebabkan sifat
keras pada spesimen pahat baja HSS. Penambahan unsur titanium dan nitrogen pada permukaan spesimen pahat baja HSS dapat diketahui melalui pengujian EDS pada Gambar 4.6. Untuk mengetahui morfologi permukaan spesimen pahat baja HSS yang terdeposisi TiN pada suhu 250˚C, waktu deposisi 90 menit dan aliran gas reaktif nitrogen sebesar 5 sccm pada penampang lintang dapat dilihat pada Gambar 4.7, dimana pada pengujian SEM preparasi sampel kurang maksimal. Pada kondisi ini unsur-unsur kimia dari titanium nitride menyebar merata pada bagian penampang lintang sehingga tidak dapat dibedakan bagian base metal benda. Hal ini dapat dilihat dengan jelas pada Gambar 4.8 hasil pengujian EDS dimana bagian terdalam spesimen yang seharusnya merupakan base metal benda telah terdeposisi oleh ikatan titanium nitride sehingga ketebalan lapisan tidak dapat diukur dengan akurat. Kurangnya persiapan pengujian SEM ini dikarenakan persiapan bahan spesimen pahat baja HSS untuk dibuat sampel uji SEM sangatlah sulit, dimana harus memotong permukaan spesimen pahat baja HSS menjadi 2 bagian tanpa harus merusak lapisan. Untuk itu dilakukan rekayasa dengan memotong pahat terlebih dahulu sebelum disputtering, sehingga pada saat proses sputtering atom-atom titanium dan nitrogen masuk kedalam spesimen panampang lintang pahat baja HSS melalui sela-sela potongan.
Gambar 4.6 Hasil EDS permukaan spesimen pahat baja HSS pada suhu 250˚C, waktu deposisi 90 menit aliaran gas nitrogen 5 sccm
Gambar 4.7 Hasil Uji SEM baja HSS pada penampang lintang pada suhu 250˚C, waktu deposisi 90 menit dan aliran gas reaktif nitrogen 5 sccm
Gambar 4.8 Hasil EDS penampang lintang baja HSS pada suhu 250˚C, waktu deposisi 90 menit dan aliran gas reaktif nitrogen 5