PENGARUH KOMPOSISI PADUAN Ti-18Mo-xCr DAN
PERSEN REDUKSI ROLLING TERHADAP SIFAT MEKANIK DAN SIFAT ELEKTROKIMIA
UNTUK APLIKASI BIOMEDIS
SKRIPSI
Dibuat untuk memenuhi syarat mendapatkan gelar Sarjana Teknik dari Jurusan Teknik Metalurgi Universitas Sultan Ageng Tirtayasa
Oleh:
Rayfan Axel Muktian 3334180033
JURUSAN TEKNIK METALURGI FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SULTAN AGENG TIRTAYASA
CILEGON – BANTEN
2022
ii
LEMBAR PENGESAHAN
PENGARUH KOMPOSISI PADUAN Ti-18Mo-xCr DAN
PERSEN REDUKSI ROLLING TERHADAP SIFAT MEKANIK DAN SIFAT ELEKTROKIMIA
UNTUK APLIKASI BIOMEDIS
SKRIPSI
Dibuat untuk memenuhi syarat mendapatkan gelar Sarjana Teknik dari Jurusan Teknik Metalurgi Universitas Sultan Ageng Tirtayasa
Disetujui untuk Jurusan Teknik Metalurgi oleh:
Pembimbing I Pembimbing II
Prof. Alfirano, S.T., M.T., Ph. D NIP. 197406292003121001
Galih Senopati, S.T., M.T NIP. 198907012014011001
iii
LEMBAR PERSETUJUAN
PENGARUH KOMPOSISI PADUAN Ti-18Mo-xCr DAN
PERSEN REDUKSI ROLLING TERHADAP SIFAT MEKANIK DAN SIFAT ELEKTROKIMIA
UNTUK APLIKASI BIOMEDIS
SKRIPSI
Disusun dan diajukan oleh : Rayfan Axel Muktian
3334180033
Telah disidangkan di depan dewan penguji pada tanggal 29 November 2022
Susunan Dewan Penguji Tanda Tangan
Penguji I (Ketua Sidang) : Prof. Alfirano, S.T., M.T., Ph. D
Penguji II : Galih Senopati, S.T., M.T.
Penguji III : Yeni Muriani Zulaida, S.T., M.T.
Skripsi ini telah diterima sebagai salah satu persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik
Mengetahui,
Ketua Jurusan Teknik Metalurgi
Adhitya Trenggono, S.T., M.Sc.
NIP. 197804102003121001
iv
1 LEMBAR PERNYATAAN
Dengan ini saya sebagai penulis Skripsi berikut:
Judul : Pengaruh Komposisi Paduan Ti-18Mo-xCr dan Persen Reduksi Rolling terhadap Sifat Mekanik dan Sifat Elektrokimia untuk Aplikasi Biomedis
Nama Mahasiswa : Rayfan Axel Muktian
NIM : 3334180033
Fakultas : Teknik
Menyatakan dengan sesungguhnya bahwa Skripsi tersebut di atas adalah benar- benar hasil karya asli saya dan tidak memuat hasil karya orang lain, kecuali dinyatakan melalui rujukan yang benar dan dapat dipertanggungjawabkan. Apabila dikemudian hari ditemukan hal-hal yang menunjukkan bahwa sebagian atau seluruh karya ini bukan karya saya, maka saya bersedia dituntut melalui hukum yang berlaku. Saya juga bersedia menanggung segala akibat hukum yang timbul dari pernyataan yang secara sadar dan sengaja saya nyatakan melalui lembar ini.
Cilegon, November 2022
Rayfan Axel Muktian NIM. 3334180033
v
2 ABSTRAK
Penggantian pinggul berbahan logam seperti titanium dan baja tahan karat diproyeksikan mencapai 272.000 unit pada tahun 2030 oleh karena itu diharapkan dapat berkontribusi dalam penelitian dan pengembangan ini. Pengembangan implan ortopedi terus dilakukan untuk mendapatkan implan yang memiliki kemiripan sifat dengan tulang kortikal. Penggunaan titanium dan paduannya untuk aplikasi biomedis terus meningkat karena bobotnya yang ringan, ketahanan korosi yang tinggi, serta biokompatibilitas dan sifat mekanik termasuk modulus yang rendah jika dibandingkan dengan biomaterial logam konvensional lainnya.
Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari pengaruh variasi konsentrasi unsur Cr dan pengaruh persen deformasi roll terhadap ketahanan korosi, modulus elastisitas pada paduan Ti-18Mo-xCr. Sampel didapat dengan pengecoran menggunakan vacuum arc smelting furnace dengan variasi Cr 0, 3, 5, 7 wt%. Setiap sampel akan melakukan proses hot rolling untuk mengurangi nilai modulus elastisitasnya dengan variasi 0, 30, 50%. Uji korosi dilakukan untuk mengetahui ketahanan korosi pada sampel paduan. Analisis OES, XRD, dan OM dilakukan untuk melihat komposisi, fasa yang terbentuk, dan melihat mikrostruktur paduan. Hasil nilai modulus elastisitas yang terbaik diperoleh dari sampel Ti-18Mo-7Cr dengan persen deformasi sebesar 50% dengan nilai 88 GPa. Sedangkan hasil uji korosi yang terbaik diperoleh dari sampel Ti-18Mo-7Cr dengan nilai laju korosi sebesar 3,12 x 10-3. Nilai modulus elastisitas akan berkurang dengan kenaikan persen deformasi roll yang disebabkan oleh ukuran butir dan nilai laju korosi akan menurun seiring meningkatnya konsentrasi Cr yang digunakan.
Kata Kunci: Titanium beta, Hot rolling, Modulus elastisitas, Kadar Cr
vi
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat Allah SWT atas segala rahmat dan karunia-Nya penulis dapat menyelesaikan penulisan skrispsi sebagai syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Metalurgi Universitas Sultan Ageng Tirtayasa. Penulis menyadari bahwa penyusunan skripsi ini tidak mungkin terlaksana tanpa bantuan dari pihak-pihak lain. Oleh sebab itu, secara khusus penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih kepada:
1. Bapak Adhitya Trenggono, S.T., M. Sc. Selaku ketua jurusan sekaligus koordinator skripsi jurusan Teknik Metalurgi FT. Untirta.
2. Bapak Prof. Alfirano, S.T., M.T., Ph. D, selaku pembimbing pertama yang membimbing penulis dalam penelitian hingga penyelesaian Skripsi ini.
3. Ibu Andinnie Juniarsih, S.T., M.T., selaku dosen pembimbing akademis yang telah membantu dan membimbing penulis selama berkuliah di Jurusan Teknik Metalurgi.
4. Bapak Galih Senopati M.T, selaku pembimbing lapangan penulis yang sudah membantu dan membimbing penulis selama melakukan penelitian di lapangan dan selama proses penulisan skripsi.
5. Kedua orang tua penulis yaitu Ibu Rahajeng Widiyanti dan Bapak (alm.) Faisal Boentoro yang selalu mendukung baik secara do'a dan materil dalam menyelesaikan skripsi ini.
6. Adimas Anugrah, Arkan Mahadi, Dimas Natanael, M. Hakiim Pratama, Yogi Anes Marsillam, Akbar Vandito Adi, Bagas Pramudya, Moch.
Rozan selaku sahabat penulis yang selalu memberi dukungan moral dan tempat berdiskusi selama masa perkuliahan dan masa penulisan skripsi.
7. Labibah Nur Hasanah yang sudah menemani penulis selama penulis melakukan penelitian dan menyusun skripsi hingga selesai.
8. Dwi, Mazaya, Alvien, Ali, Bang Ilham, Bang Azhar, Raden, Ellif, Danis selaku teman-teman penulis selama melakukan penelitian di lapangan yang sudah banyak membantu dan menemani penulis dalam melakukan
vii penelitian.
9. Rosita Utari, dan M. Defrizal Juliantoro selaku teman satu bimbingan yang sudah membantu dalam proses pengerjaan skripsi dan penelitian.
10. Gemu, sebagai pemberi dukungan moral kepada penulis selama masa perkuliahan.
11. Seluruh Angkatan 2018 Jurusan Teknik Metalurgi Universitas Sultan Ageng Tirtayasa yang tidak bisa disebutkan satu persatu sebagai teman satu angkatan penulis.
Penulis menyadari masih terdapat kekurangan dalam penyusunan sehingga mengharapkan saran dan masukan dari pembaca agar skripsi ini menjadi lebih baik.
Besar harapan skripsi ini dapat bermanfaat bagi pembaca sebagai ilmu baru maupun sebagai acuan penelitan selanjutnya. Atas perhatiannya, penulis mengucapkan terima kasih.
Cilegon, November 2022
Rayfan Axel Muktian NIM 3334180033
viii
3 DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL ... i
LEMBAR PENGESAHAN ... ii
LEMBAR PERSETUJUAN ... iii
LEMBAR PERNYATAAN ... iv
ABSTRAK ... v
KATA PENGANTAR ... vi
DAFTAR ISI ... viii
DAFTAR TABEL ... xi
DAFTAR GAMBAR ... xii
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang. ... 1
1.2 Identifikasi Masalah. ... 5
1.3 Tujuan. ... 6
1.4 Ruang Lingkup Penelitian. ... 6
1.5 Sistematika Penulisan. ... 7
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Titanium. ... 9
2.1.1 Paduan Alfa-Beta Titanium. . Error! Bookmark not defined. 2.1.2 Paduan Beta Titanium. ... 11
ix
2.2 Biomaterial. ... 12
2.2.1 Jenis-Jenis Biomaterial. ... 13
2.3 Molybdenum Equivalent dan Fasa Paduan. .... Error! Bookmark not defined. 2.4 Pengaruh Penambahan Cr pada Sifat Kekerasan. ... 19
2.5 Pengaruh Penambahan Cr pada Modulus Elastisitas. ... 21
2.6 Pengaruh Penambahan Persen Deformasi pada Modulus Elastisitas. ... 23
2.7 Nilai Ketahanan Korosi Ti-18Mo-xCr dan Ti-6Al-4V. ... 24
2.8 Mikrostruktur Paduan Titanium Beta. ... 26
BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Diagram Alir Penelitian. ... Error! Bookmark not defined. 3.2 Alat dan Bahan. ... 31
3.2.1 Alat-alat yang Digunakan. ... 31
3.2.2 Bahan. ... 32
3.3 Prosedur Percobaan. ... 32
3.3.1 Proses Preparasi Sampel. ... 33
3.3.2 Proses Perlakuan pada Sampel. ... Error! Bookmark not defined.36 3.3.3 Pengamatan Metalografi, dan Pengujian Kekerasan. ... 37
x
3.3.4 Pengujian dan Pengamatan Uji Korosi. ... 39
3.3.5 Pengujian Modulus Elastisitas. ... 40
3.3.6 Perhitungan Nilai Korosi pada Software Nova 1.1. ... 41
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Karakterisasi Ti-18Mo-xCr. ... 43
4.1.1 Analisis OES (Optical Emission Spectroscopy). ... 43
4.1.2 Analsis XRD. ... 44
4.2 Pengamatan Mikroskop Optik. ... Error! Bookmark not defined. 4.2.1 Pengamatan Stuktur Mikro. ... 46
4.2.2 Pengamatan Pengujian Korosi. ... 49
4.2.3 Pengamatan Setelah Hot Roll ... 51
4.3 Pengujian Modulus Elastisitas. ... 52
4.4 Pengujian Kekerasan (Vickers Hardness). ... 55
4.5 Hasil Uji Korosi EIS. ... 59
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan. ... 55
5.2 Saran. ... 66 DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN A CONTOH PERHITUNGAN LAMPIRAN B DATA HASIL PENELITIAN LAMPIRAN C GAMBAR ALAT DAN BAHAN
xi
DAFTAR TABEL
Tabel Halaman
Tabel 2.1 Pengaruh Unsur-Unsur Paduan pada Struktur Titanium. ... 12
Tabel 2.2 Sifat Biomaterial Logam. ... 14
Tabel 2.3 Unsur Penstabil Fasa β. ... 17
Tabel 2.4 Komposisi, Kategori, Suhu Transus, Sumber, dan Tahun Pengenalan Paduan Titanum Beta, Diurutkan Berdasarkan Mo Ekivalen... 18
Tabel 2.5 Pengaruh Persen Total Deformasi terhadap Sifat Mekanik. ... 24
Tabel 2.6 Parameter korosi diperoleh dari OCP dan kurva polarisasi potensiodinamik dalam larutan HCl 5 wt% . ... 25
Tabel 4.1 Analisis OES Ti-18Mo-xCr... 44
Tabel 4.2 Perhitungan Lattice Parameter. ... 45
Tabel 4.3 Hasil Pengujian Modulus Elastisitas. ... 52
Tabel 4.4 Pengaruh Persen Total Deformation terhadap Sifat Mekanik. ... 53
Tabel 4.5 Ukuran Butir Paduan Ti-18Mo-xCr. ... 54
Tabel 4.6 Data Uji Kekerasan. ... 55
Tabel 4.7 Hasil Pengujian EIS Berdasarkan Komposisi. ... 59
Tabel 4.8 Hasil Uji Korosi dengan Tafel Ekstrapolasi pada Paduan Ti-6Al-4V. 60 Tabel 4.9 Hasil Pengujian EIS Berdasarkan Variasi Rolling. ... 62
xii
DAFTAR GAMBAR
Gambar Halaman
Gambar 2.1 Diagram Fasa Pseudobiner dari Titanium dan Penstabil Beta... 16
Gambar 2.2 Diagram Fasa Isotermal Parsial Sistem Ti-Mo-Cr Terner pada Suhu 1073 K. ... 19
Gambar 2.3 Kekerasan Mikro dari Paduan Ti-15Mo-6Zr dan Ti-15Mo-6Zr-xCr. ... 19
Gambar 2.4 Sifat Kekerasan Ti-12Mo-xCr (Senopati, et al., 2016). ... 20
Gambar 2.5 Modulus Paduan Ti-15Mo-6Zr dan Ti-15Mo-6Zr-xCr. ... 22
Gambar 2.6 Modulus Paduan Ti-xCr (Zhao, et al., 2012). ... 23
Gambar 2.7 Grafik Modulus Young terhadap Rolling Strain Rate. ... 25
Gambar 2.8 Hubungan antara potensial dan rapat arus paduan Ti-18%Mo-10%Cr dan paduan Ti-6%Al-4%V. ... 25
Gambar 2.9 Mikrostruktur Paduan Ti-6Al-4V dengan Butir Alfa Equiaxed dengan Fasa Beta Intergranular. ... 26
Gambar 2.10 Struktur Mikro Paduan Titanium α+β pada Struktur ... 27
Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian ... 30
Gambar 3.2 Sampel a) Titanium Shot, b) Chromium Shot, c) Molybdenum Shot ... 33
Gambar 3.3 Menimbang Sampel dan Scrap-nya. ... 33
Gambar 3.4 Peleburan pada Vacuum Arc Melting Furnace. ... 34
Gambar 3.5 Pembubutan Sampel. ... 34
Gambar 3.6 Proses Pengujian OES. ... 35
xiii
Gambar 3.7 Proses Pemotongan Sampel dengan Mesin Wire Cut ... 35
Gambar 3.8 Hasil Akhir Sampel Setelah Dipotong. ... 36
Gambar 3.9 Pre-Heat dengan Tube Furnace. ... 36
Gambar 3.10 Proses Roll. ... 37
Gambar 3.11 Proses Mounting. ... 37
Gambar 3.12 Grinding Sampel. ... 38
Gambar 3.13 Pengamatan dengan Mikroskop Optik... 38
Gambar 3.14 Uji Kekerasan Vickers. ... 39
Gambar 3.15 Mounting dengan Kabel. ... Error! Bookmark not defined. Gambar 3.16 Uji Korosi Sampel. ... 40
Gambar 3.17 Proses Menimbang dengan Timbangan Digital ... 40
Gambar 3.18 Pengujian Modulus Elastisitas dengan Sonelastic. ... 41
Gambar 3.19 Uji Densitas. ... 42
Gambar 3.20 Input Data pada Software Nova 1.1. ... 42
Gambar 4.1 Hasil Pengamatan XRD Ti-Mo-xCr As-Cast. ... 44
Gambar 4.2 Hasil Pengamatan Struktur Mikro pada Paduan (a) Ti-18Mo, (b) Ti- 18Mo-3Cr, (c) Ti-18Mo-5Cr, dan (d) Ti-18Mo-7Cr. ... 48
Gambar 4.3 Paduan Titanium Beta dan Nilai Molybdenum Equivalent (wt. %). 48 Gambar 4.4 Hasil Pengamatan Sebelum Uji Korosi pada Paduan (A1) Ti-18Mo (B1) Ti-18Mo-3Cr, (C1) Ti-18Mo-5Cr, (D1) Ti-18Mo-7Cr dan Sesudah Uji Korosi (A2) Ti-18Mo (B2) Ti-18Mo-3Cr, (C2) Ti-18Mo- 5Cr, dan (D2) Ti-18Mo-7Cr. ... 50
xiv
Gambar 4.5 Hasil Pengamatan Sebelum Rolling pada Paduan (A1) Ti-18Mo (B1) Ti-18Mo-3Cr, (C1) Ti-18Mo-5Cr, (D1) Ti-18Mo-7Cr, Sesudah Reduksi Rolling 30% (A2) Ti-18Mo (B2) Ti-18Mo-3Cr, (C2) Ti- 18Mo-5Cr, (D2) Ti-18Mo-7Cr, dan Setelah Reduksi Rolling 50%
(A3) Ti-18Mo (B3) Ti-18Mo-3Cr, (C3) Ti-18Mo-5Cr, dan (D3) Ti-
18Mo-7Cr. ... 51
Gambar 4.6 Nilai Modulus Elastisitas Tiap Paduan. ... 54
Gambar 4.7 Diagram Uji Kekerasan. ... 55
Gambar 4.8 Pengendapan Intermetalik pada Struktur Mikro Ti-6%Al Setelah Forging dan Diberi Perlakuan Panas pada 1000 °C. ... 57
Gambar 4.9 Pengendapan intermetalik pada Struktur Mikro pada Paduan (a) Ti- 18Mo-3Cr dan (b) Ti-18Mo-7Cr. ... 57
Gambar 4.10 Grafik Hasil Variasi Cr terhadap Laju Korosi. ... 59
Gambar 4.11 Kurva Potensiodinamik Ti-18Mo-xCr. ... 60
Gambar 4.12 Kurva Polarisasi dengan Parameter (Duran, et al., 2018)... 61
Gambar 4.13 Grafik Hasil Variasi Persen Rolling terhadap Laju Korosi. ... 62
Gambar 4.14 Kurva Potensiodinamik Ti-18Mo-7Cr. ... 63
Gambar C.1 Alat Uji Densitas ... 85
Gambar C.2 Alat Uji Korosi ... 85
Gambar C.3 Autolab EIS ... 85
Gambar C.4 Chromium Shot ... 85
Gambar C.5 Grinder ... 85
Gambar C.6 Jangka Sorong ... 85
xv
Gambar C.7 Mesin Bubut ... 85
Gambar C.8 Mesin WireCut ... 85
Gambar C.9 Mikroskop Optik ... 85
Gambar C.10 Molybdenum Shot... 85
Gambar C.11 Multitester ... 85
Gambar C.12 Polisher ... 85
Gambar C.13 Solder ... 86
Gambar C.14 Alat Uji Modulus Elastisitas Sonelastic... 86
Gambar C.15 Tang ... 86
Gambar C.16 Tempat Mounting ... 86
Gambar C.17 Termocirculator ... 86
Gambar C.18 Titanium Shot ... 86
Gambar C.19 Timbangan Digital ... 87
Gambar C.20 Tube Furnace ... 87
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang.
Permintaan bahan logam untuk perangkat biomedis telah berkembang pesat dalam beberapa tahun terakhir. Sebagai contoh, penggantian pinggul berbahan logam seperti titanium dan baja tahan karat diproyeksikan mencapai 272.000 unit pada tahun 2030. (Rack H & Qazi, 2006). Penggunaan titanium dan paduannya untuk aplikasi biomedis di bidang ortopedi dan gigi terus meningkat karena bobotnya yang ringan, ketahanan korosi yang tinggi, serta biokompatibilitas dan sifat mekanik termasuk modulus rendah jika dibandingkan dengan biomaterial logam konvensional Ti-6Al-4V (Lu Kan, et al., 2016).
Telah diketahui dengan baik bahwa sifat korosi dari paduan Ti bergantung pada beberapa faktor seperti komposisi dan struktur mikro (Sutowo, et al., 2016).
Titanium bersifat allotropy, yaitu memiliki dua struktur kristal yang berbeda pada temperatur yang berbeda. Pada temperatur ruang, titanium murni memiliki struktur kristal hexagonal closed packed (HCP). Struktur ini disebut fasa alpha, dan stabil sampai temperatur 1620 °F (882 °C) sebelum struktur kristalnya berubah. Pada temperatur yang lebih tinggi, struktur kristal berubah menjadi body centered cubic (BCC). Struktur ini disebut fasa β. Temperatur transisi dari alpha menjadi beta disebut beta transus. Fasa alpha beta dari 1620 °F sampai titik leleh (3130 °F) (Sutowo, et al., 2016). Unsur paduan diklasifikasikan sebagai penstabil tergantung pada efeknya pada suhu transformasi. Unsur V, Mo, dan Nb adalah penstabil fasa
2
β yang membentuk sistem isomorf dengan Ti. Fe juga merupakan unsur penstabil, tetapi membentuk sistem eutektik dengan titanium. Bergantung pada fasa yang dapat dipertahankan pada suhu kamar, paduan Ti diklasifikasikan menjadi beberapa kategori: α, α + β, near β, β-metastabil, dan β-stabil (M. Atapour, et al., 2011).
Titanium tipe β mempunyai ketahanan korosi paling baik dan mempunyai modulus elastisitas yang lebih rendah bila dibandingkan dengan Titanium paduan tipe ataupun (+). Berbagai jenis Titanium tipe β sudah banyak dikembangkan untuk aplikasi biomedis (Nurbaiti, et al., 2018).
Sampai saat ini, bahan berbasis titanium yang paling umum digunakan untuk aplikasi medis adalah paduan Ti-6Al-4V. Namun, ketika digunakan sebagai bio- implan, paduan ini dapat menyebabkan masalah kesehatan karena adanya unsur toksik pada vanadium dan ketidaksesuaian nilai modulus elastisitas antara implan paduan (sekitar 110 GPa) dan tulang kortikal (sekitar 30 GPa), menginduksi masalah pelindung stres setelahnya implantasi (Abdelrahman, et al., 2019). Pada paduan ini juga ada kekhawatiran bahwa V berpotensi beracun. Literatur juga menunjukkan bahwa kehadiran ion vanadium (V) ke dalam jaringan manusia dapat mengubah kinetika aktivitas enzim yang terkait dengan sel respon inflamasi (Mohammed, et al., 2014), dan aluminium juga dapat berkontribusi pada perkembangan terjadinya resiko penyakit Alzheimer, terutama dengan implantasi jangka panjang (M. Atapour, et al., 2011). Tingginya modulus Ti-6Al-4V dapat disebabkan oleh tingginya kandungan Al yang menstabilkan nilai fasa α, dimana paduan fasa α memiliki sifat nilai modulus elastisitas yang lebih besar dengan nilai
3
110 GPa dan pada paduan fasa β lebih rendah yaitu sekitar 80 GPa. (Long & Rack, 1998).
Perbedaan yang signifikan antara modulus elastisitas tulang dan implan (seperti Ti-6Al-4V sebesar 110 GPa, dan tulang kortikal 30 GPa) dapat mengakibatkan rasa sakit yang dirasakan di tulang, yang sering disebut sebagai efek stress shielding. Efek ini merupakan akibat langsung dari implan ortopedi yang
menopang sebagian besar beban dan menyebabkan gerakan berlebihan, yang mencegah beban disalurkan dari implan ke tulang. Hal ini menghasilkan relaksasi area kontak antara implan dan tulang, sehingga menghambat pertumbuhan jaringan tulang baru, mengisolasi implan dari sekitarnya, dan mencegah osteointegrasi yang diinginkan dari implan (Mohammed, et al., 2014). Ketika ada perbedaan besar antara modulus elastisitas keduanya, hal itu dapat menyebabkan osseointegrasi yang buruk (integrasi kontak implan tulang-Ti yang buruk) yang dapat menyebabkan retak nukleasi dan akhirnya kegagalan implan (Ho & Chern Lin, 1999).
Titanium dapat dipadukan dengan berbagai unsur untuk mengubah sifat-sifat berikut ini: untuk meningkatkan kekuatannya, kinerja suhu tinggi, ketahanan mulur, kemampuan las dan kemampuan bentuk (Ho, et al., 2012). Oleh karena itu, studi perancangan paduan Ti tipe β yang memiliki modulus elastisitas rendah difokuskan pada penggunaan Mo dan Cr karena biokompatibilitasnya dengan tubuh manusia.
Unsur seperti Mo dan Cr, telah ditemukan sebagai unsur paduan yang efektif untuk paduan - Ti baru. Unsur-unsur ini adalah unsur penstabil fasa β dan juga dapat meningkatkan Molybdenum Equivalent. Mereka telah digunakan sebagai bahan
4
implan, seperti baja tahan karat 304 dan 316 dan paduan Co-Cr-Mo. Oleh karena itu, unsur-unsur ini merupakan komponen potensial untuk paduan - Ti baru (Syarif, et al., 2013).
Molibdenum (Mo) adalah unsur non-toksik dan bebas alergi yang umum digunakan untuk paduan karena ketahanannya yang kuat terhadap korosi. Penelitian sebelumnya pada Zhou et.al juga melaporkan bahwa paduan Ti-Mo memiliki biokompatibilitas dan ketahanan korosi yang sangat baik (Zhou & Luo, 2011). Pada penambahan Cr juga berkontribusi pada penstabil fasa β dengan nilai βc sebesar 1,6 menurut persamaan setara Mo. Selain itu, Cr adalah salah satu unsur penstabil fasa β yang lebih kuat dan memiliki pengaruh yang signifikan pada sifat sistem titanium lainnya, tergantung pada jumlah Cr dan kecepatan pendinginannya (Elshalakany, et al., 2017). Keberadaan Cr dalam film pasif bagian dalam adalah alasan utama kemampuan pasifnya. Untuk paduan titanium dan paduan zirkonium, unsur Cr diperkenalkan sebagai unsur penstabil fasa β yang menunjukkan ketahanan korosi dan sifat mekanik yang sangat baik (Zhang, et al., 2016). Pembentukan film oksida kromium pada permukaan paduan Ti-Cr dan kemampuan pelindung yang sangat baik dari film oksida dalam larutan garam yang mengandung fluoride telah divalidasi oleh (Takemoto, et al., 2009).
Pada hot rolling dapat menghasilkan hasil paduan yang lebih baik terutama dengan meningkatnya laju regangan roll, karena diperoleh nilai ketangguhan, % elongasi dan % reduksi yang lebih tinggi. Juga nilai yang baik dari kekuatan tarik, kekuatan luluh, kekerasan, kelenturan dan modulus elastisitas young yang melebihi
5
nilai minimal sifat mekanik dari sampel kontrol baja (Nwachukwu & Oluwole, 2017).
Dalam penelitian ini, membuat paduan Ti-18Mo-xCr dirancang sebagai paduan titanium fasa β yang memiliki ketahanan korosi yang tinggi dan modulus elastisitas yang rendah agar nilai modulus mendekati tulang kortikal dengan komposisi awal Ti-18Mo dengan variasi jumlah Cr sebagai unsur penambahnya.
Hal tersebut juga membuat nilai molybdenum equivalent yang berbeda, semakin tinggi nilai molybdenum equivalent maka semakin stabil pula paduan titanium yang dihasilkan. Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian ini untuk membentuk paduan yang diinginkan yang mana dapat menggantikan paduan Ti-6Al-4V dengan memiliki sifat ketahanan korosi yang tinggi, nilai modulus elastisitas yang cukup rendah agar sesuai dengan sifat tulang kortial, serta struktur mikro yang dihasilkan dari fasa-β.
1.2 Identifikasi Masalah.
Penelitian ini dilakukan dengan dasar masalah yang timbul sebagai berikut:
1. Bagaimana pengaruh penambahan unsur Cr terhadap mikrostruktur paduan Ti-18Mo-xCr?
2. Bagaimana pengaruh penambahan unsur Cr terhadap ketahanan korosi paduan Ti-18Mo-xCr dan dibandingkan dengan paduan Ti-6Al-4V?
3. Bagaimana pengaruh deformasi rolling terhadap nilai modulus elastisitas paduan Ti-18Mo-xCr dan dibandingkan dengan paduan Ti-6Al-4V?
4. Bagaimana pengaruh penambahan unsur Cr serta persen deformasi roll
6
terhadap nilai kekerasan pada paduan Ti-18Mo-xCr?
1.3 Tujuan.
Tujuan dari pengembangan material beta titanium untuk biomedis sebagai berikut.
1. Mempelajari pengaruh penambahan unsur Cr terhadap mikrostruktur paduan Ti-18Mo-xCr.
2. Mengetahui pengaruh penambahan unsur Cr yang digunakan terhadap ketahanan korosi paduan Ti-18Mo-xCr dan pembandingnya.
3. Mempelajari pengaruh variasi persen deformasi rolling terhadap nilai modulus elastisitas paduan Ti-18Mo-xCr dan pembandingnya.
4. Mempelajari pengaruh variasi penambahan unsur Cr dan pengaruh persen deformasi roll terhadap nilai kekerasan paduan Ti-18Mo-xCr
1.4 Ruang Lingkup Penelitian.
Adapun ruang lingkup untuk proses pembembangan material beta titanium untuk biomedis ialah meliputi:
1. Bahan baku yang digunakan bersumber dari shot titanium, molybdenum, dan chromium dengan kadar 99%.
2. Karakterisasi sampel dilakukan pada hasil pengecoran pertama (Ti-18Mo- xCr as-cast) untuk mengetahui komposisi paduan setelah dilakukan casting dengan remelting sebanyak 5 kali menggunakan OES dan XRD.
3. Variabel bebas terdiri dari:
7
a. Variasi komposisi Cr
b. Variasi persen deformasi rolling
4. Variabel terikatnya ialah nilai modulus elastisitas, kekerasan, dan laju korosi dalam mmpy.
5. Penelitian dilakukan di Laboratorium Metalurgi BRIN Serpong menggunakan fasilitas alat yang disediakan di Laboratorium Metalurgi.
1.5 Sistematika Penulisan.
Adapun sistematika penulisan skripsi ini terdiri dari 5 bab yaitu antara lain.
Bab I Pendahuluan berisi penjelasan mengenai latar belakang dilakukannya penelitian ini, berdasarkan pada subtitusi Ti-6Al-4V dengan Ti-18Mo-xCr untuk mendapatkan nilai modulus elastisitas dan nilai laju korosi yang lebih rendah.
Penurunan nilai modulus elastisitas dilakukan menggunakan cara hot rolling dengan varisasi 0, 30, dan 50 %. Sedangkan pengurangan nilai laju korosi dilakukan dengan cara memvariasikan komposisi Cr sebesar 0, 3, 5, dan 7 wt%.
Bab II Tinjauan Pustaka berisi mengenai uraian teori dasar yang mendukung penelitian beta titanium dengan paduan Ti-18Mo-xCr, penggunaan Cr sebagai salah satu unsur penstabil fasa β. Sementara hot rolling digunakan untuk mereduksi nilai modulus elastisitas paduan. Dilanjutkan dengan mekanisme perhitungan ekivalen molibdenum dan pengaruh penambahan dari Cr. Metode dijelaskan dalam berupa diagram alir penelitian, alat dan bahan yang digunakan untuk penelitian serta prosedur penelitian hingga pengujian disusun dalam Bab III Metode Penelitian.
Bab IV Hasil dan Pembahasan berisi hasil penelitian yang meliputi rolling
8
deformasi menggunakan mesin roll dengan variasi 0%, 30%, dan 50%, membandingkan pengaruh penambahan Cr dengan variasi 0% wt., 3% wt., 5% wt., dan 7% wt. sebagai unsur penstabil fasa β. Kemudian hasil ini akan dibahas untuk mengetahui hubungan antara penambahan Cr terhadap struktur mikro, nilai modulus, nilai kekerasan, dan nilai laju korosi serta efek dari rolling deformasi terhadap nilai modulus elastisitas dan nilai kekerasan. Hasil tersebut juga dibandingkan dengan referensi yang telah diperoleh pada Bab II.
Bagian terakhir dari isi yaitu Bab V Kesimpulan dan Saran berisi kesimpulan untuk penelitian ini dan saran untuk penelitian ke depannya. Daftar Pustaka berisi referensi-referensi yang digunakan dalam penyusunan skripsi serta lampiran berisi hasil pengujian, perhitungan, dan gambar alat serta bahan yang digunakan dalam penelitian.
4
DAFTAR PUSTAKAAbdelrahman, Y. et al., 2019. Biocompatibility of new low-cost (α + β ) type Ti- Mo-Fe alloy for long term implantation. Material Science and Engineering C 99, pp. 552-562.
Akahori, T. et al., 2005. Improvement in Fatigue Characteristics of Newly Developed Beta Type Titanium Alloy for Biomedical Applications by Thermo- Mechanical Treatments. Material Science Engineering C25, pp. 248-254.
Almanza, E., Perez, M., Rodriguez, N. & Murr, L., 2017. Corrosion Resistance of Ti-6Al-4V and ASTM F75 Alloys Processed by Electron Beam Melting. Journal of Material Research and Technology, pp. 251-257.
Anjarsari, Dahlan, K., Suptijah, P. & Kemala, T., 2016. Synthesis and Characterization of Biocomposite BCP/Collagen for Bone Material. JPHPI, pp.
356-361.
Anwar, S. & Solechan, 2014. Analisa Karakteristik dan Sifat Mekanik Scaffold Rekonstruksi Mandibula dari Material Bhipasis Calsium Phospate dengan Penguat Cangkang Kerang Srimping dan Gelatin Menggunakan Metode Functionally Graded Material. Universitas Muara Kudus: Fakultas Teknik, pp. 137-144.
ASM, H., 1992. Alloy Phase Diagrams. Volume 3.
ASTM, 2008. Standard Spesification for Wrought Titanium-15 Molybdenum Alloys for Surgical Implant Application. Philadelphia: ASTM International.
Aung, N. N. & Zhou, W., 2010. Effect of grain size and twins on corrosion behaviour of AZ31B magnesium alloy. Corrosion Science 52, pp. 589-594.
Balakrishman, A., Lee, B. C., Kim, T. N. & Panigrahi, B., 2008. Trends Biomater.
Artif Organs, 1(22).
Bania, J. P., 1998. Beta Titanium Alloys and Their Role in the Titanium Industry.
Jurnal Overview Metallurgy, pp. 16-19.
10
Beiler, T., Trevino, R. & Zeng, L., 2005. Alloys: Titanium. pp. 65-76.
Bombac, D. et al., 2007. Review of Materials in Medical Applications. RMZ- Materials and Geoenvironment, pp. 471-499.
Burstein, G., Liu, C. & Souto, R., 2005. The effect of temperature on the nucleation of corrosion pits on titanium in Ringer's physicological solution. Biomaterials, Volume 26, pp. 245-256.
Chaim, R. & Hefetz, M., 2004. Effect of grain size on elastic modulus and hardness of nanocrystalline ZrO2-3 wt% Y2O3 ceramic. Journal of Material Science 39, pp.
3057-3061.
Chaoqun, X. et al., 2021. Influence of Cr addition on microstructure evolution and corrosion behavior of the Ti-Zr Alloys. Materials Characterization, pp. 1-15.
Chiu, W.-T.et al., 2021. Effect of Cr additions on the phase constituent, mechanical properties, and shape memory effect of near-eutectoid Ti-4Au towards the biomaterials applications. Journal of Alloys and Compounds 867, pp. 1-13.
Chongliang, Z. et al., 2020. Laser Metal Deposition of Ti6Al4V. Applied Sciences, Volume 10, pp. 1-12.
C. Y., Z. X. & Y. F., 2008. Phase Transformation in Reductive Roasting of Laterite Ore with Microwave Heating. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, pp. 969-973.
Dee, K. C., Puleo, D. A. & Tos, R. B., 2002. Biomedical Engineering. New York:
Wiley and Sons.
Duran, A., Castro, Y., Conde, A. & Damborenea, J. J. D., 2018. Handbook of Sol- Gel Protective Coatings for Metals. Madrid: Springer International Publishing AG.
Dziubek, K. F., 2022. On the Definition of Phase Diagram. Crystals, pp. 1-16.
Eliot, R. P., Levinger, B. W. & Rostoker, W., 1953. AIME 197. Trans.
11
Elshalakany, A. B. et al., 2017. Microstructure and Mechanical Properties of Ti- Mo-Zr-Cr Biomedical Alloys with Powder Metallurgy. Journal of Materials and Performance Engineering, pp. 1-10.
Hai-Lu, W. et al., 2011. Effect of Hot Rolling on Grain Refining and Mechanical Properties of AZ40 Magnesium Alloy. Transaction Nonferrorus Metallurgy Society China, pp. 229-234.
Hench, L., 1991. Bioceramics: From Concept to Clinic. Journal of the American Ceramic Society, pp. 1487-1510.
Hossain, M., Amin, A. N., Patwari, A. & Karim, A., 2008. Enchancement of Machinability by Workpiece Preheating in End Milling of Ti-6Al-4V. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, 31(2), pp. 320-326.
Ho, W. C. & Chern Lin, J., 1999. Strucure and properties of Cat Binary Ti-Mo Alloys. Biomaterials, Vol. 20, pp. 2215-2122.
Ho, W.-F.et al., 2012. Effects of Molybdenum Content on the Structure and Mechanical Properties Ti-10Zr Based Alloys for Biomedical Applications.
Materials Science and Engineering C 32, pp. 517-522.
Hsu, H. et al., 2013. Materials and Design. pp. 268-273.
Ige, O. O. et al., 2009. Monitoring Control, and Prevention Practises of Biomaterials Corrosion-An Overview. Trends Biomaterials Artificial Organs, pp. 93-104.
Javaid, A. & Czerwinski, F., 2019. Effect of hot rolling on microstructure and properties of the ZEK100 alloy. Journal of Magnesium and Alloys 7, pp. 27-37.
Kim, D. et al., 2015 . Long an Short Range Order Structural Analysis of In-Situ Forme Biphasic Calcium Phosphates. Biomaterial Research, pp. 19-24.
Koizumi, H. et al., 2019. Application of Titanium and Titanium Alloys to Fixed Dental Prostheses. J Prosthodont Res., pp. 266-270.
Lan, H. & Venkatesh, T., 2014. On the Relationship Between Hardness and the Elastic and Plastic Properties of Isotropic Power-law Hardening Materials.
Philosophical Magazine, pp. 35-55.
12
Long, M. & Rack, H. J., 1998. Titanium Alloys in Total Joint Replacement - A Material Science Perspective. Biomaterials, Vol. 19, pp. 1621-1639.
Lourenco, M. L. et al., 2020. Development of Novel Ti-Mo-Mn Alloys for Biomedical Applications. Scientific Report Nature Research, pp. 1-8.
Lu Kan, J. et al., 2016. Electrochemical Corrosion Behavior and Elasticity Properties of Ti-6Al-xFe Alloys for Biomedical Appliactions. Material Science &
Engineering C 62, pp. 36-44.
Lütjering., G. & Williams., J., 2007. Titanium. Berlin: Springer.
M. Atapour, Pilchak, A., Frankel, G. & Williams, J., 2011. Corrosion Behavior of β Titanium Alloys for Biomedical Applications. Material Science and Engineering C 31, pp. 885-891.
Majumdar, D. J. & Manna, I., 2015. Laser Surface Engineering of Titanium and Its Alloys for Improved Wear, Corrosion, and High-Temperature Oxidation Resistance. Process and Applications, pp. 483-521.
Meraldo, A., 2016. Introduction to Bio-Based Polymers. Lux Research, pp. 47-52.
Mohammed, T. M., Khan, Z. A. & Siddiquee, A. N., 2014. Beta Titanium Alloys:
The Lowest Elastic Modulus for Biomedical Applications: A Review. World Academy of Science, Engineering and Technology International Journal of Chemical, Nuclear, Metallurgical and Materials Engineering Vol. 8, No. 8, pp.
726-731.
Niinomi, M., 2008. Biologically and Mechanically Biocompatible Titanium Alloys.
Materials Transactions , pp. 2170-2178.
Nurbaiti, Gunawarman, Affi, J. & Van Hoten, H., 2018. Perbandingan Laju Korosi Pada Titanium Tipe β Jenis Baru, Ti-12Cr dengan Immersion Test Dalam Larutan NaCl 3%. Sinergi , pp. 175-186.
Nwachukwu, P. U. & Oluwole, O. O., 2017. Effects of Rolling Process Parameters on the Mechanical Properties of Hot-Rolled St60Mn Steel. Case Studies in Construction Material, pp. 134-146.
13
Okulov, I. et al., 2015. High Strength Beta Titanium Alloys: New Design Approcah.
Material Science & Engineering A 628, pp. 297-302.
Palumbo, G. et al., 2021. Effect of Grain Size on the Corrosion Behavior of Fe- 3wt.%Si-1wt.%Al Electrical Steels in Pure Water Saturated with CO2. Materials, 14(5084), pp. 1-19.
Paristiawan, P. A., Puspasari, V., Pramono, A. W. & Adjiantoro, B., 2020.
Pengaruh Variasi Persentase Reduksi pada Proses Pengerolan Panas terhadap Sifat Mekanik dan Struktur Mikro Baja Laterit. Rekayasa Mesin, pp. 297-305.
Park, Y. & Hyun, S., 2017. Effects of Grain Size Distribution on the Mechanical Properties of Polycrystalline Graphene. Journal Korean Ceramic Society, 54(6), pp. 506-510.
Pederson, R., 2002. Microstructure aand Phase Transformation of Ti-6Al-4V. Lulea University of Technology.
Prima, F., Vermaut, P., Ansel, D. & Debuigne, J., 2000. ω Precipitation in a beta metastable titanium alloy, resistometric study. Material Trans, pp. 1092-1097.
Qiangli, et al., 2016. Influence of ω phase precipitation on mechanical performance and corrosion resistance of Ti-Nb-Zr alloy. Materials and Design, Volume 111, pp.
421-428.
Rack H, J. & Qazi, J. I., 2006. Titanium Alloys for Biomedical Applications.
Material Science and Engineering C, pp. 1269-1277.
Respati, S. M. B., 2010. Bahan Biomaterial Stainless Steel dan Keramik.
Momentum, pp. 5-8.
Schloffer, M. et al., 2014. Evolution of the ωo phase in β-stabilized multi-phase TiAl alloy and its effect on hardness. Acta Materialia, pp. 241-252.
Senopati, G. et al., 2016. Microstructure and Mechanical Properties of As-Cast Ti- Mo-xCr Alloy for Biomedical Application. International Sumposium on Frontier of Applied Phyxicx, pp. 2-5.
14
Stanev, V. et al., 2018. Unsupervised Phase Mapping of X-ray Diffraction Data by Nonnegative Matrix Factorization Integrated with Custom Clustering.
Computational Materials, pp. 1-10.
Suh, H., 1998. Recent Advance in Biomaterials. Yonsei Medical Journal, pp. 87- 96.
Sutowo, C., Ikhsan, M. & Kartika, I., 2014. Karakteristik Material Biokompetibel Aplikasi Implan Medis Jenis Bone Plate. Seminar Nasional Sains dan Teknologi, pp. 1-5.
Sutowo, C., Rokhmato, F., Senopati, G. & Ilman, K. A., 2016. Pembentukan Struktur Mikro Paduan Titanium Ti6Al6Mo As Cast Sebagai Bahan Dasar Implan.
Seminaar Nasional Sains dan Teknologi, pp. 1-5.
Syarif, J. et al., 2013. Beta Phase Stability in Ti-Mo-Cr Alloys Made By Powder Metallurgy. Journal of Mining and Metallurgy B: Metallurgy, pp. 285-292.
Takemoto, S. et al., 2009. Corrosion mechanism of Ti-Cr alloys in solution containing flouride. Dental Materials, pp. 467-472.
Weiss, I. & Semiatin, S., 1998. Beta Titanium Thermomechanical Processing Alloys - Overview. Material Science & Engineering A 243, pp. 46-65.
Y. M. & Pramono, A., 2014. Advance Material Research. pp. 53-63.
Yu, L., Lu, Z., Shibo, P. & Xiaolong, L., 2022. Effect of hot rolling and annealing temperature on microstructure and tensile properties of a Zr-containing Ni-based ODS superalloy. Journal of Alloys and Compunds 918, pp. 1-9.
Zhang, Z. et al., 2016. A novel Zr-based alloy microstructure with high strength and excellent ductility. Material Science and Engineering: A, pp. 370-375.
Zhao, X. et al., 2012. Optimization of Cr Content of Metastable β-Type Ti-Cr Alloys with Chengeable Young's Modulus for Spinal Fixation Applications. Acta Biomater, pp. 392-400.
15
Zhou, Y.-L. & Luo, D.-M., 2011. Corrosion Behavior of Cold Rolled and Heat Treated Ti-Mo Alloys. Journal of Alloys and Compounds, pp. 6267-6272.
