Sintesis dan Karakterisasi Paduan Kobalt Akibat Variasi Arus dengan
Metode Peleburan
Bayu Abriyanto1*, Dyah Hikmawati2, Aminatun3
1,2Departemen Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga
*bayu04abriyanto@gmail.com
ABSTRAK
Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh variasi arus listrik terhadap sifat mikro dan mekanik paduan kobalt melalui proses peleburan. Paduan kobalt disintesis dengan komposisi Co-62,25%Cr-31,5%Mo-5%Mn-0,5%Si-0,5%N-0,25% dilebur menggunakan arc melting furnace dengan variasi arus listrik sebesar 60A, 80A, 100A, 120A, dan 150A. Kemudian sampel dikarakterisasi dengan XRF untuk mengetahui komposisi paduan setelah proses peleburan. Dilanjutkan proses homogenisasi dengan suhu 1300oC dan lama waktu penahanan konstan selama 2 jam. Kemudian dilakukan karakterisasi
XRF kembali untuk mengetahui kandungan unsur paduan setelah proses homogenisasi. Berdasarkan hasil XRF, komposisi unsur setelah proses peleburan tidak jauh berbeda dengan besar kandungan unsur setelah homogenisasi.Komposisi unsur yang dapat mempertahankan kandungan unsur semula terdapat pada arus listrik peleburan sebesar 150A. Hasil identifikasi uji X-Ray Diffraction (XRD) menunjukkan terbentuknya fase dan fase 𝜎masing-masing sebesar 31,45% pada arus 150A. Berdasarkan hasil uji kekerasan pada sampel variasi arus peleburan sebesar 60A sampai 150A, sampel yang memiliki kekerasan paling rendah atau yang mendekati kekerasan implan tulang yaitu pada sampel dengan arus 150A yakni sebesar 344,74±8,12 VHN.
Kata Kunci: paduan kobalt, homogenisasi, arc melting furnace, XRD, XR
ABSTRACT
The aim of this research is to determine the effect of electrical current variation on the micro and mechanical properties of cobalt alloy resulted from melting method. Cobalt alloy was synthesized with composition of Co-62,25%Cr-31,5%Mo-5%Mn-0,5%Si-0,5%N-0,25% and melted using arc melting furnace with electrical current variation of 60A, 80A, 100A, 120A, and 150A. Samples were characterized by XRF characterization to determine the composition of the alloy after melting process. The process was continued with the homogenization process in a temperature of 1300oC and a constant holding time for 2
hours. Then XRF characterization was done again to determine the element of this alloy after homogenization process. Based on X-Ray Diffraction (XRD) test results, the elemental composition after melting process is not much different from the element content after homogenization. The composition of elements that can maintain the original element content can be found at melting electrical current of 150 A. X-Ray Diffraction (XRD) identification test result shows that the phase and 𝜎 phase was each formed by 31,45% at the current of 150 A. Based on the hardness test results on samples of melting current variation of 60 A and 150 A, the sample with the lowest hardness or the closest to the hardness of bone implants is the sample with 150 A current which is equal to 344,74 ± 8,12 VHN.
PENDAHULUAN
Pesatnya perkembangan teknologi implantasi memacu teknolog dan ilmuan berpikir keras bagaimana menemukan solusi yang tepat terkait permasalahan seputar implantasi. Piranti implan adalah suatu bagian yang tak dapat dipisahkan dari permasalahan tersebut. Kecocokan piranti implan dengan lingkungannya merupakan salah satu garansi kesuksesan proses tersebut, maka dari itu proses pembentukan tulang dengan pertimbangan kecocokan dari sisi anatomi maupun mekanisnya perlu dipelajari dan diteliti lebih lanjut (Satriodamar, 2012).
Paduan kobalt memiliki tingkat biokompatibilitas yang lebih rendah dari pada paduan titanium, akan tetapi memiliki sifat mekanik yang hampir sama dan harganya lebih murah dibandingkan dengan paduan titanium. Jika dibandingkan dengan stainless steel, paduan kobalt memiliki sifat biokompatibel, tahan terhadap korosi dan sifat mekanik yang lebih baik, walaupun harganya lebih tinggi dibandingkan stainless steel (Sulistioso dkk, 2010).
Paduan kobalt menggunakan 3 unsur utama yaitu cobalt (Co), chromium (Cr) dan molybdenum (Mo). Komposisi paduan kobalt sesuai ASTM F 75 sebagai berikut, Cr 27-30 %, Mo 5-7 %, Mn <0,5 %, C <0,35 %, Fe <0,75 %, Ni <0,5 %, Co 63-65 %. Material kobalt merupakan material utama pada komposisi kobalt.Material ini bersifat tahan korosi serta tahan aus.Material Chromium ditambahkan untuk meningkatkan kekerasan dan ketahanan korosi,
khususnya ketahanan terhadap korosi lokal.Chromium membentuk lapisan oksida Cr2O3yang
kuat, berfungsi sebagai lapisan pasif untuk membentengi material utama di bawahnya, sedangkan molibdenum sangat berperan aktif dalam ketahanan korosi terutama korosi sumuran (pitting) dan korosi celah (crevice). Molibdenum merupakan penstabil lapisan pasif yang telah terbentuk oleh Khromium sehingga lapisan pasif akan lebih tahan terhadap serangan dari senyawaan yang menyerang lapisan pasif (Sulistioso dkk, 2010).
Salah satu alat yang dapat digunakan untuk proses peleburan paduan kobalt adalah Arc Melting Furnace (AMF). Pemanfaatan AMF untuk peleburan pernah dilakukan oleh Sudaryadi untuk peleburan pasir zirconia dengan menggunakan variasi arus dan waktu. Pada variasi arus listrik 70 sampai 90 Ampere menunjukkan massa sampel yang dapat dilebur, yaitu sebesar 1,17623 gram sampai 2,17623 gram. Hanya saja pada arus peleburan 95 Ampere sampel yang dapat dilebur tidak berbeda jauh dengan sampel yang dilebur dengan arus listrik peleburan sebesar 90 Ampere yaitu sebesar 2,17745 gram. Hal ini menunjukkan ada batas arus listrik optimum dimana massa sampel tertinggi dapat dilebur. Massa sampel yang dilebur tergantung daya tungku, sementara daya berbanding lurus dengan kuadrat arus, maka semakin besar arus akan semakin tinggi suhu yang ditimbulkan sehingga semakin banyak sampel yang dapat dilebur (Sudaryadi, 2008).
BAHAN DAN METODE PENELITIAN Bahan
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini yaitu serbuk cobalt, serbuk chromium, molybdenum,nitrogen, silikon, mangan.
Sampel dibuat dengan mencampurkan masing-masing bahan sesuai komposisi menggunakan High Energy Milling (HEM). Kemudian dibuat bentuk pelletmelalui proses kompaksi dengan tekanan 12 ton. Setelah itu sampel dilebur dengan mesin Arc Melting Furnace (AMF) dengan pemberian arus listrik sebesar 60, 80, 100, 120, dan 150 Ampere.Untuk mengetahui unsur dalam sampel setelah peleburan, maka diuji XRF. Kemudian dilanjutkan dengan proses homogenisasi
dengan pemberian suhu sebesar 13000C selama 2 jam. Homogenisasi bertujuan agar unsur yang
terkandung dalam sampel bersifat homogen.Kemudian diuji kembali komposisi unsur tiap sampel menggunakan XRF.Untuk mengetahui sudah terbentuk paduan dengan mengidentifikasi fasa, maka dilakukan uji XRD. Diakhir proses penelitian ini dilakukan uji kekerasan untuk mengetahui sifat kekerasan masing-masing sampel.
Hasil dan Pembahasan
Sampel yang telah dilebur diuji komposisi dengan XRF. Karakterisasi XRFakan menunjukkan komposisi tiap unsur masing-masing sampel.
Variasi Arus (Ampere)
Rerata komposisi unsur (%)
Co Cr Mn Mo Si N
Awal Sesudah Awal Sesudah Awal Sesudah Awal Sesudah Awal Sesudah Awal Sesudah
60 62,25 60,50 31,50 34,70 0,50 0,50 5,00 4,30 0,5 0 0,25 0
80 62,25 63,44 31,50 28,79 0,50 0,43 5,00 4,83 0,5 0 0,25 0
100 62,25 63,49 31,50 28,86 0,50 0,34 5,00 4,75 0,5 0 0,25 0
120 62,25 65,18 31,50 26,76 0,50 0,35 5,00 5,03 0,5 0 0,25 0
150 62,25 61,47 31,50 30,18 0,50 0,50 5,00 4,17 0,5 0 0,25 0
Tabel 1.Hasil uji XRF setelah proses peleburan
Tabel 1 menunjukkan hasil XRF setelah proses peleburan dengan variasi arus listrik sebesar 60, 80, 100, 120, dan 150 Ampere. Berdasarkan tabel diatas, nampak hasil proses peleburan dengan suhu yang relatif tinggi, ternyata sampel setelah diuji menggunakan XRF komposisinya berubah. Hal ini dikarenakan tiap-tiap unsur memiliki titik leleh yang berbeda-beda. Pada saat peleburan dimana diberikan variasi arus yang semakin besar dan suhu didalam chamber yang relatif tinggi, memungkinkan unsur yang memiliki titik leleh yang rendah dan memiliki komposisi yang sedikit akan menguap bahkan hilang, sehingga setelah peleburan massa sampel juga berkurang.
Unsur Nitrogen dan Silikon tidak ada sama sekali. Hal ini dikarenakan Nitrogen memiliki titik leleh yang sangat rendah, yaitu (-210,10C), sedangkan Silikon sebesar 14140C. Karena unsur Silikon dan Nitrogen memiliki komposisi yang relatif sedikit, sehingga pada saat peleburan memungkinkan unsur tersebut menguap semua.
Sampel kemudian dihomogenisasi dengan suhu sebesar 13000C selama 2 jam dan diuji
Variasi Arus (Ampere)
Rerata komposisi unsur (%)
Co Cr Mn Mo
Sebelum Sesudah Sebelum Sesudah Sebelum Sesudah Sebelum Sesudah
60 60,50 63,65 ± 5,75 34,70 28,73 ± 4,58 0,50 0,61 ± 0,09 4,30 3,70 ± 0,63
80 63,44 64,75 ± 0,16 28,79 27,54 ± 0,12 0,43 0,27 ± 0,03 4,83 5,44 ± 0,10
100 63,49 61,19 ± 1,95 28,86 30,05 ± 1,26 0,34 0,43 ± 0,08 4,75 5,79 ± 0,42
120 65,18 65,04 ± 0,52 26,76 26,38 ± 0,31 0,35 0,37 ± 0,01 5,03 5,55 ± 0,09
150 61,47 63,94 ± 0,13 30,18 28,18 ± 0,17 0,50 0,35 ± 0,04 4,17 5,08 ± 0,23
Tabel 2.Hasil uji XRF sebelum dan sesudah proses homogenisasi
Hasil uji XRF setelah homogenisasi diketahui nilai komposisi yang sangat beragam. Hal ini memungkinkan pada waktu proses peleburan chamber tidak vakum, ada bagian kaca yang sedikit berlubang, sehingga mengakibatkan banyak oksigen dari luar yang masuk kedalam ruang peleburan. Penggunaan arus peleburan yang terkecil membutuhkan waktu agak lama untuk memastikan sampel melebur sempurna daripada arus yang semakin besar yang membutuhkan waktu yang relatif cepat untuk terlebur. Pada proses homogenisasi atom-atom diharapkan tersebar dan berdifusi agar bersifat homogen. Namun hasil dari homogenisasi ternyata komposisinya pun beragam.Hal ini memungkinkan sampel belum homogen sempurna. Hasil komposisi XRF ini akan berpengaruh terhadap pembentukan fasa yang dibahas pada hasil XRD.
Karakterisasi XRD pada paduan kobalt dilakukan setelah proses pembuatan paduan kobalt. Tujuannya yaitu mengetahui fasa yang terbentuk setelah proses pembuatan paduan kobalt. Paduan kobalt memiliki 3 fasa terbentuk yang mempunyai tiga struktur kristal yaitu kisi Kristal fcc (fasa γ), kisi Kristal hcp (fasa ε), dan kisi Kristal tetragonal (fasa σ) (Prihantoko, 2011). Hasil uji XRD sampel paduan kobalt ditunjukkan pada gambar berikut.
Gambar 1.a Hasil XRD Arus Listrik Peleburan 60 Ampere
Int en sit as
Gambar 1.b Hasil XRD Arus Listrik Peleburan 80 Ampere
Gambar 1.c Hasil XRD Arus Listrik Peleburan 100 Ampere
Gambar 1.d Hasil XRD Arus Listrik Peleburan 120 Ampere
Int en sit as Sudut Int en sit as Sudut Int en sit as Sudut
Gambar 1.e Hasil XRD Arus Listrik Peleburan 150 Ampere
Data yang tersaji pada Gambar 1 dilakukan analisis secara manual dikarenakan pada ICDD/ICSD/JCPDS tidak ditemukan database yang sesuai. Analisis secara manual ini dilakukan
dengan cara mencari selisih antara 2θ yang terbentuk dengan nilai yang ada pada literatur
sehingga didapat ∆2θ. Agar nilai ∆2θ yang didapat dapat memenuhi fasa pada literatur maka nilainya harus kurang dari nilai FWHM dari data sampel.Persentase fraksi volume dapat dilihat pada Tabel 3 berikut.
Variasi Arus (Ampere)
Persentase Fraksi Volume (%)
Fasa γ (FCC) Fasa ε (HCP) Fasa σ (tetragonal) Co-Hexagonal Co-Cr Hexagonal CoCr2O4 Impuriti 60 47,005 0 0 0 0 0 52,994 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 2Theta (°) 0 1000 2000 3000 4000 In te n s it y ( c o u n ts )
Gambar 2. Grafik gabungan hasil XRD
Int en sit as
80 0 0 2,231 45,448 0 0 52,320 100 0 1,458 1,178 45,165 0 0 52,197 120 9,915 0 67,312 0 0 3,587 19,184 150 47,940 0 1,869 0 4,492 0 45,697
Tabel 3 Identifikasi Fasa Paduan Kobalt Setelah Homogenisasi
Hasil identifikasi fasa pada Gambar 1 dan Tabel 3 menunjukkan bahwa pada arus listrik yang rendah yaitu 60 Ampere memiliki fasa 𝛾 yang relatif banyak. Hal ini dikarenakan sampel belum terlebur sempurna.Namun semakin meningkatnya arus, maka semakin banyak sampel yang terlebur, sehingga mengakibatkan banyak fasa yang teridentifikasi, juga terdapatnya oksida. Nampak persentase fasa semakin banyak teridentifikasi dan persentase fasa 𝛾 tidak terlalu besar karena diimbangi oleh adanya fasa yang lain, artinya paduan tidak bersifat tidak terlalu keras
seperti hasil pada arus 60 Ampere yang memiliki persentase fasa 𝛾 yang besar namun tidak
diimbangi oleh hadirnya fasa lain. Hasil ini akan mempengaruhi dalam sifat mekanik yang dibahas pada hasil uji kekerasan.
Pengujian kekerasan dilakukan dengan pengujian Vickers dengan beban 1 kgf di 5 titik pengujian untuk setiap sampelnya. Pengujian kekerasan dilakukan diakhir proses pembuatan paduan kobalt. Dari hasil uji kekerasan ini tidak hanya dilihat pada kekerasan yang tertinggi saja karena penelitian ini juga dimaksudkan untuk melihat kelayakan dari paduan sebagai material implan tulang. Oleh karena itu, dari hasil uji kekerasan yang ada akan disesuaikan rentang nilai kekerasan yang disarankan oleh ASTMF F75. Adapun hasil uji kekerasan dari sampel variasi arus peleburan tersaji pada Tabel 4 berikut.
Variasi Arus (Ampere) VHN
60 439,96 ± 18,586
80 410,62 ± 15,227
100 411,10 ± 16,935
120 432,70 ± 32,029
150 344,74 ± 8,120
Data hasil uji kekerasan pada Tabel 4.4 dapat digambarkan kedalam grafik batang dari tingkat kekerasan sampel variasi arus peleburan yang disajikan pada Gambar 3 berikut.
Gambar 3 Tingkat Kekerasan Paduan Hasil Variasi Arus Peleburan
Tingkat kekerasan ini diimbangi dengan besar persentase fasa gamma yang terbentuk pada sampel variasi arus peleburan pada Tabel 3.Semakin besar persentase fasa gamma yang terbentuk, maka kekerasannya semakin besar karena sampel lebih keras. Sedangkan semakin kecil fasa gamma, kekerasannya akan semakin kecil.
Dari hasil uji Vickers hardness terlihat bahwa kekerasan tertinggi terdapat pada arus sebesar 60 Ampere dengan tingkat kekerasan sebesar 439,96 ± 18,586 VHN. Namun sebagai aplikasi implan tulang, kekerasan sampel yang mendekati syarat sebagai tulang kortikal sesuai ASTMF F75 yaitu sampel dengan variasi arus sebesar 150 Ampere dengan nilai kekerasannya 344,74 ± 8,12 VHN. Pada hasil uji kekerasan untuk sampel jika disesuaikan dengan nilai kekerasan yang diinginkan oleh ASTMF F75 adalah termasuk didalamnya. Oleh karena itu dapat dikatakan arus optimal yang digunakan untuk pembuatan paduan kobalt dengan proses peleburan adalah menggunakan arus sebesar 150 Ampere.
KESIMPULAN
1. Hasil uji XRF setelah proses peleburan dan homogenisasi menunjukkan masih adanya unsur-unsur utama yang disintesis dengan komposisi Co antara 60,50-65,18, Cr antara 26,76-34,70, Mo antara 4,17-5,03.
2. Fasa secara optimal terjadi pada arus 150 Ampere dengan persentase gamma sebesar 47,940%, Co-Cr Hexagonal sebesar 4,492%, fasa sigma sebesar 1,869%, dan impurity sebesar 45,697%.
3. Nilai kekerasan yang disyaratkan untuk implan tulang yaitu sebesar 344,74 ± 8,12 VHN diperoleh pada sampel arus 150 Ampere.
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 60 80 100 120 150 Ni la i K e ke ra sa n ( V H N)
Variasi Arus (Ampere)
koreksi vhn
DAFTAR PUSTAKA
Prihantoko, Adi Danang. 2011. Karakterisasi Paduan Cocrmo Dengan PelapisanTitanium Nitrida Dan Hidroksiapatit-Kitosan.Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam.Institut Pertanian Bogor. Jawa Barat
Satriodamar, 2012 ,http://satriodamar.blogspot.com/2012/09/perlakuan-titanium-sebagai-bahan-implan.html, Diakses pada tanggal 17 September 2013.
Sudaryadi, dkk, 2008, Pengaruh Arus Dan Waktu Tungku Busur Listrik Dalam Proses Pembuatan Zirkonium Karbida, Prosiding Seminar Nasional, Penelitian Dan Pengelolaan Perangkat Nuklir, Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan, Yogyakarta.
Sulistioso G., Sukaryo, dkk, 2011, Sintesis, Analisis Korosi dan Toksisitas pada material Biokompatibel Co-Cr-Mo, Pusat Teknologi bahan Industri- Batan.
Susanto, Efinda Putri Normasari, 2013, Sintesis dan Karakterisasi Paduan Kobalt dengan variasi Cr Melalui Metode Peleburan Sebagai Material Implan, Skripsi Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga.
Wiranata, Hezti, 2012, Sintesis Paduan Kobalt dengan Variasi Kandungan Nitrogen, FIS IPB, Bogor.
Yuswono dan Andika Pramono.2010.Pembuatan Paduan Logam Co-30%Cr-6%Mo Melalui Pengerjaan Kompak dan Sinter dan Pengaruhnya terhadap Kandungan Si.Banten: Pusat Penelitian Metalurgi – LIPI.
