UJI VAKUM BEJANA NITRIDASI PLASMA
Sukidi, SuhartonoPusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan-BATAN, Babarsari Yogyakarta 55281 E-mail : [email protected]
ABSTRAK
UJI VAKUM BEJANA NITRIDASI PLASMA. Telah dilakukan uji vakum 2 bejana
nitridasi plasma. Proses nitridasi plasma hanya dapat dilakukan di dalam ruang vakum. Bejana yang di uji akan digunakan sebagai ruang vakum nitridasi, sehingga bejana ini harus mampu vakum. Uji vakum dimaksudkan untuk mengetahui apakah bejana mampu vakum sampai pada orde 10-3 mbar atau tidak. Untuk mengetahui tingkat kevakumanya, udara/gas yang ada didalam bejana dikeluarkan dengan menggunakan pompa. Pompa yang digunakan adalah pompa rotary. Pompa rotari ini mempunyai tingkat kevakuman 10-4 mbar. Hasil uji masing-masing bejana adalah sebagai berikut: untuk bejana satu mampu vakum sampai 5×10-3mbar dan bejana dua mampu vakum 8×10-3 mbar. Dengan hasil uji seperti tersebut diatas maka kedua bejana bisa digunakan untuk ruang vakum nitridasi,
ABSTRACT
TEST FOR PLASMA NITRIDING VACUUM CHAMBER. The test for two plasma
nitriding vacuum chambers, has been done. Plasma nitriding process just worked in vacuum space. The tested chamber will be used as plasma nitriding vacuum space. This vacuum test means to know how much of vacuum rate: 10-3 mbar order or not. Gasses in chamber were pushed out using pump to know vacuum rate. The used pump was rotary pump. This rotary pump has 10-4 mbar of vacuum rate. The vacuum test result for two chambers are 5 x 10-3 mbar of first chamber and 8 x 10-3 mbar of second chamber. The test result shows that both of chamber scan be used for plasma nitriding vacuum space.
PENDAHULUAN
alam rangka menunjang program pengembangan Iptek nuklir dalam industri, PTAPB-BATAN Yogyakarta melakukan beberapa kegiatan. Salah satu kegiatannya adalah rancangbangun perangkat nitridasi plasma dengan double chamber (bejana). Dalam tahapan ini pembuatan, komponen bejana telah selesai dan telah di konstruksi. Proses nitridasi hanya dapat dilakukan di dalam ruang vakum. Untuk itu bejana yang telah di konstruksi dan disiapkan untuk ruang nitridasi harus dilakukan uji vakum. Uji vakum dimaksudkan untuk mengetahui tingkat kevakuman dari bejana. Uji vakum berkaitan dengan beban gas. Beban gas meliputi kebocoran,
permeasi, pelepasan gas (outgasing), dan penguapan. Untuk pemompaan awal beban pompa ditentukan oleh volume gas yang ada di dalam ruang chamber (bejana), sedangkan beban gas setelah pemompaan hingga mencapai kondisi mantap (steady state), tergantung dari kebocoran dan (outgasing) yang dilepaskan oleh dinding-dinding chamber. Untuk mencapai tingkat kevakuman akhir yang optimum (10-3mbar), maka harus dapat mengatasi beban-beban gas tersebut. Kecepatan dan kemampuan optimum pompa akan mempengaruhi lama waktu pemompaan dan hasil kevakuman akhir yang dapat dicapai. Diharapkan hasil uji vakum bejana ini bisa mencapai orde 10-3 mbar. Untuk mencapai kevakuman 10-3 mbar dapat dilakukan cukup dengan menggunakan
pompa rotari yang mempunyai tingkat kevakuman sampai 10-4mbar.
DASAR TEORI
Ada beberapa jenis beban gas yang mempengaruhi kevakuman di dalam ruang vakum, beban tersebut harus dikeluarkan dari dalam sistem vakum (chamber). Pada Gambar 1, ditunjukkan beberapa jenis beban gas. Untuk mencapai kevakuman orde 10-3 mbar harus dapat mengatasi beban gas tersebut. Secara teori untuk mencapai kevakuman 10-3 mbar dapat dicapai dengan menggunakan satu jenis pompa yaitu pompa rotari. Pompa rotari sebagai pompa vakum rendah, kemampuan vakum pompa rotari bisa mencapai 10-4 mbar.
Gambar 1. Beberapa jenis beban gas pada sistem vakum
BEBAN GAS AKIBAT KEBOCORAN
Kebocoran pada chamber terjadi pada sambungan antara komponen satu dengan komponen lainnya. Sambungan komponen ini dibedakan menjadi 2 bagian yaitu sambungan tidak dapat dilepas dan sambungan dapat dilepas. Sambungan tidak dapat dilepas yaitu sambungan dengan las dan brazing. Pada sambungan ini kebocoran yang terjadi sangat sulit ditentukan karena tergantung dari kualitas sambungan tersebut. Untuk sambungan dapat dilepas yaitu sambungan dengan seal viton seperti ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 2 : Sambungan dengan perapat viton
Viton yang digunakan sebagai perapat tersebut akan mengalami deformasi elastis, sehingga jika sambungan dilepas bentuk tersebut akan kembali ke bentuk semula. Dengan demikian perapat viton dapat digunakan berulang-ulang BEBAN GAS AKIBAT PELEPASAN GAS (OUTGASSING )
Gas yang disebabkan oleh adanya difusi dan desorpsi disebut pelepasan gas (outgassing). Desorpsi terjadi jika suatu molekul/atom gas menempel pada permukaan tetapi tidak sampai masuk dalam permukaan, yang selanjutnya jika divakumkan molekul/atom gas tersebut lepas dari permukaan dan memberikan sumbangan gas dalam sistem vakum.
PROSES NITRIDASI
Proses nitridasi plasma adalah proses penambahan unsur nitrogen ke dalam material logam yang dilakukan di dalam ruang vakum. Dengan cara memberikan beda tegangan antara anode dan katode dan memasukkan gas nitrogen ke dalam ruang nitridasi (vakum) akan terjadi plasma. Ion-ion nitrogen yang terbentuk pada plasma akan menumbuk material yang dinitridasi, dengan adanya beda tegangan antara anode dan katode. Kedalaman penetrasi atom nitrogen tergantung dari energy (beda tegangan anode-katode) dan suhu nitridasi. Suhu nitridasi terjadi sekitar 4600C – 5000C. Proses nitridasi seperti ditunjukkan pada Gambar 3 yaitu atom-atom nitrogen masuk ke ruang kosong pada atom material yang dinitridasi[1].
Gambar 3. Gerakan atom nitrogen mengisi ruang kosong
TATA KERJA
Telah dilakukan pembuatan dua unit bejana reaktor plasma nitridasi. masing-masing unit dilengkapi dengan saluran ke pompa vakum, saluran gas nitrogen, sambungan tegangan tinggi DC, sambungan termokopel pengukur suhu, dan ampermeter pengukur arus. Bejana yang telah dikonstruksi, diinstal pada kerangka penyangga Gambar 4. Kerangka penyangga dibuat dari bahan baja siku (70×70×7)mm. Proses nitridasi dapat dilakukan setelah di dalam ruang bejana mencapai vakum minimal 5×10-3 mbar. [2,3] Berdasarkan teori kevakuman ini sangat penting, karena semakin tinggi kevakuman akan semakin baik untuk proses nitridasi. Pada vakum tinggi kandungan molekul-molekul gas sisa didalam ruang nitridasi semakin sedikit. Ini berarti gas nitrogen yang dimasukkan ke dalam bejana akan semakin mendekati kemurnian.
METODOLOGI PENGUJIAN
Untuk melakukan uji fungsi perangkat nitridasi dalam hal ini adalah uji vakum bejana nitridasi plasma terhadap vakum.
a. Menyiapkan Komponen dan Alat.
Sebelum dilakukan uji fungsi vakum, dilakukan instalasi terlebih dahulu yaitu komponen-komponen bejana nitridasi plasma dan kelengkapannya. Komponen-komponen tersebut adalah flange bawah sebagai base plate, flange atas sebagai tutup atas, dan beberapa below sebagai saluran vakum dan saluran ke meter vakum. Instalasi dilakukan juga antara bejana dengan alat uji (pompa rotari) dan monitor uji (meter vakum pirani). Dari beberapa kegiatan tersebut dapat ditunjukkan seperti pada pada skema dibawah ini:
Gambar 4. Konstruksi bejana pada kerangka penyangga
Gambar 5.Skema kegiatan instal dan pengujian Penyiapan Komponen bejana Instalasi Komponen bejana Evaluasi / Cek instalasi Penyiapan alat
Belum benar benar Pengujian Data hasil uji
b. Prosedur Pengujian
1. Periksa apakah semua sambungan yang akan diuji telah terinstal dengan baik.
2. Periksa apakah alat uji telah terpasang (pompa ) pada bejana yang akan di uji.
3. Periksa apakah alat ukur uji (meter vakum pirani) telah terpasang dengan baik.
4. Periksa apakah kemampuan alat ukur telah sesuai dengan yang dikehendaki.
5. Jika semua telah terpasang (instal) dengan baik dan benar, dapat dilanjutkan langkah pengujian yaitu:
6. Hidupkan pompa rotari dan amati alat ukur uji (meter vakum pirani)
7. Jika kevakuman belum memenuhi yang dipersyaratkan, periksa dan perbaiki instalasi pada sambungan-sambungan antar komponen.
8. Amati terus sampai kevakuman mencapai kevakuman yang dipersyaratkan (orde 10-3 mbar).
9. Jika kevakuman baik dan telah mencapai pada kondisi yang dipersyaratkan (orde 10-3mbar), lanjutkan sampai pada kevakuman optimum. 10. Catat data-data hasil yang diperoleh yaitu
(waktu dan kevakuman) dari mulai pompa rotari dihidupkan sampai kevakuman mencapai optimum.
11. Lakukan (langkah 1 s/d 10) diulang sampai lebih dari 3 kali sehingga diperoleh data unjuk kerja yang optimal.
c. Data-data hasil uji
Data data hasil uji ditunjukkan pada Tabel 1 dan Tabel 2 dibawah ini Tabel 1. Hasil uji bejana 1
Waktu (menit) Kevakuman (mbar) 1 2 3 4 5 Rata-rata 0 1033 1033 1033 1033 1033 1033 1 800 800 810 800 810 804 20 100 110 100 100 100 102 30 7 8 7 8 8 7.6 40 0,90 0.95 0,89 0.90 0.90 0.91 50 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 60 0,095 0,095 0,095 0,095 0,095 0,095 70 0,08 0,08 0,08 0,08 0,08 0,08 80 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 90 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 100 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 110 0,008 0,008 0,0085 0,008 0,0085 0,008 120 0,006 0,006 0,006 0,006 0,006 0,006 130 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 140 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005
Tabel 2. Hasil uji bejana 2 Waktu (menit) Kevakuman (mbar) 1 2 3 4 5 Rata-rata 0 1033 1033 1033 1033 1033 1033 10 800 800 810 795 790 799 20 120 110 120 120 120 118 30 8 7 9 8 8 8 40 1 0.90 0,90 0,90 1 0,94 50 0,20 0,20 0,21 0,2 0,20 0,2 60 0,10 0,09 0,09 0,09 0,10 0,095 70 0,07 0,07 0,07 0,072 0,07 0,07 80 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 90 0,025 0,025 0,02 0,03 0,03 0,026 100 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 110 0,009 0,009 0,009 0,009 0,009 0,009 120 0,0085 0,0085 0,0085 0,0085 0,0085 0,0085 130 0,008 0,008 0,008 0,008 0,008 0,008 140 0,008 0,008 0,008 0,008 0,008 0,008
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada Tabel 1 atau Gambar 6 ditunjukkan hasil pengujian bejana 1. Pemvakuman dimulai dari tekanan atmosfir (1033 mbar), pada menit-menit awal kevakuman tidak segera tampak dan baru nampak pemvakuman tersebut setelah mendekati menit ke 10. Dimana kevakuman yang dapat terbaca pada meter pirani yaitu 800 mbar, selanjutnya pada menit ke 40 kevakuman yang dicapai sangat cepat, dengan ditandai slop yang sangat tajam antara 800 mbar hingga 0,9 mbar. Sedang dalam menit-menit berikutnya kenaikan kevakuman tidak secepat dalam 40 menit pertama. Walaupun demikian kenaikan kevakuman tetap terjadi secara pelan dan pada menit ke 60 kevakuman yang dicapai 0,09 mbar dan pada menit ke 110 kevakuman yang dicapai adalah 8×10-3mbar. Dengan bertambahnya waktu pemvakuman hingga pada menit ke 130, kevakuman yang dicapai adalah 5×10-3 mbar. Dan pada menit ke 140, kevakuman tetap dan optimum pada 5×10-3mbar. Di dalam rancangan dasar dan rancangan detil vakum yang dipersyaratkan adalah orde 10-3 mbar. Sehingga kevakuman 5×10-3mbar yang dicapai telah memenuhi persyaratan.
Gambar 6. Pengujian bejana reaktor plasma nitriding 1
Pada pengujian bejana 2 fenomena yang terjadi hampir sama dengan bejana 1. Hasil pengujian bejana 2 ditunjukkan pada Tabel 2 atau Gambar 7. Awal pemvakuman dimulai dari tekanan atmosfir (1033 mbar), dan pada menit-menit awal belum begitu nampak kevakumannya, dan baru pada menit ke 10 kevakuman mulai kelihatan yaitu 850 mbar, selanjutnya pada menit ke 50 kevakuman yang dapat dicapai juga sangat cepat, dengan ditandai slop yang sangat tajam antara 850 mbar hingga 0,1 mbar, pada bejana 1 hal ini terjadi pada menit ke 40. Dalam menit-menit berikutnya kenaikan vakum untuk bejana 2 masih terjadi, tetapi tidak secepat dalam 50 menit pertama. Walaupun demikian kenaikan kevakuman masih tetap terjadi dan pada menit ke
110 kevakuman yang dicapai adalah 9×10-3mbar. Dengan bertambahnya waktu pemvakuman hingga pada menit ke 130, kevakuman yang dicapai adalah 8×10-3mbar, dan bahkan sampai pada menit yang ke 140 kevakuman tetap pada 8×10-3mbar. Sehingga kevakuman yang dicapai ini merupakan kevakuman optimum yang dicapai untuk bejana 2 yaitu 8×10-3 mbar.
Dengan hasil uji bejana satu 5×10-3 mbar dan bejana 2 adalah 8×10-3mbar, maka kedua bejana tersebut menurut kriteria pada rancangan dasar dan detil dapat digunakan sebagai bejana vakum nitridasi plasma.
Gambar 7. Pengujian bejana reaktor plasma nitriding 2
Perbedaan capaian antara bejana 1 dan bejana 2 mungkin disebabkan beberapa hal antara lain:
1. Hasil proses pengelasan antara bejana 1 dan bejana 2 ada sedikit perbedaan sehingga hasil akhir pengujian ditunjukkan hasil yang berbeda.
2. Hasil proses permesinan untuk kehalusan permukaan bejana 1 dan bejana 2 tidak sama
3. Perapat (seal) dari hasil penyambungan seal tidak sama sehingga akan menyebabkan kerapatan yang tidak sama.
KESIMPULAN
Dari uraian dan pembahasan di atas dapat disimpulkan sebagai berikut:
1. Telah dilakukan uji vakum terhadap 2 unit bejana plasma nitridasi.
2. Hasil pengujian bejana reaktor nitridasi plasma menunjukkan hasil yang baik yaitu 5×10-3mbar untuk bejana 1 dan 8×10-3 mbar untuk bejana 2, ini berarti kevakuman telah memenuhi persyaratan pada rancangan dasar dan rancangan detil.
3. Dari hasil data-data uji seperti tersebut diatas maka, 2 unit bejana yang telah selesai di uji bisa digunakan sebagai bejana vakum pada nitridasi plasma. UCAPAN TERIMA KASIH
Pada kesempatan ini penulis mengucapkan banyak terima kasih, kepada teman-teman staf Bidang Teknologi Akselerator dan Fisika Nuklir yang telah membantu sehingga makalah ini dapat diselesaikan. Atas jasa baik teman-teman mudah-mudahan Allah akan membalas sesuai apa yang telah dilakukan oleh teman-teman. Amin.
DAFTAR PUSTAKA
1. JOHN F O’HANLON; A User’s Guide To Vacuum Technology; Second Edition, John Wiley & Sons, New York, 1989.
2. P.K.ROL; di terjemahkan oleh PETER SOEDOYO; Pengantar Teknik Vakum; Gajah Mada University Press; 1977.
3. Catalog Vacuum Teknology; PFEIFFER, 2002.
TANYA JAWAB Untung Margono
Apa yang menyebabkan hasil uji berbeda antara bejana 1 dan bejana 2 ?
Sukidi
Penyebab perbedaan hasil uji antara bejana 1 dan bejana 2 adalah hasil pengerjaan baik pengerjaan las, bubut maupun frais akan mempengaruhi kehalusan pengerjaan sehingga menyebabkan perbedaan kehalusan hasil hasil uji vakum, semakin halus akan semakin baik hasil uji vakumnya.
