ISSN1411-134!
Volume 5, Nomor I, Oktober 2003
KAJIAN TEKNOLOGI REKAYASABAHAN
AKSELERATOR ION UNTUK
Djoko S. Pudjorahardjo, Aminus Salam, Lely Susita RM
Puslitbang Teknologi Maju BATAN, YogyakartaRINGKASAN
KAJIAN TEKNOLOGI A KSELERA TOR ION UNTUK REKAYASA BAHAN. Telah dilakukan kajian teknologi akselerator ion untuk industri rekayasa bahan. Tujuan dari kajian ini ada!ah untuk mempersiapkan suatu dokumen tentang pemanfaatan teknologi akselerator ion untuk industri rekayasa bahan. Hal ini berkaitan dengan rencana pembangunan laboratorium akselerator di P3TM-BATAN, di mana salah satu pemanfaatan laboratorium akselerator tersebut adalah di bidang industri yaitu untuk rekayasa bahan. Rekayasa bahan menggunakan teknologi akselerator ion banyak dilakukan dengan teknik implantasi ion, yaitu dengan menanamkan ion-ion dari atom dopan tertentu ke suatu bahan setelah ion-ion tersebut dipercepat di dalam akselerator ion hingga mencapai energi tertentu. Salah satu pemanfaatan teknik implantasi ion untuk rekayasa bahan adalah untuk perlakuan permukaan komponen mesin dalam industri seperti mesin penukar panas, turbin, ring seker, roda gigi, roller, mala bor, dan lain-lain. Jenis ion-ion dopan yang digunakan untuk perlakuan permukaan tersebut meliputi ion dari elemen-elemen reaktif seperti Y, Ce, Zr, HI. Ti, dan ion-ion Cr, Ta dan N. Arus ion yang diperlukan dalam orde J/A hingga puluhan nlA. Sedangkan energi ion yang diperlukan antara 20 hingga 600 keV yang dapat dipenuhi oleh akselerator implantasi ion. Oleh karena itu untuk rencana pemanfaatan laboratorium akselerator ion di bidang industri rekayasa bahan perlu pengadaan satu unit akselerator implantasi ion dengan energi variabel antara 20 hingga 600 ke V yang dapat memenuhi kebutuhan jenis dan energi ion seperti tersebut di alas besertafasilitas pendukungnya.
Kata kunci: akselerator ion, rekayasa bahan
SUMMARY
ASSESMENT OF ION ACCELERATOR TECHNOLOGY FOR MATERIAL ENGINEERING. The assesment of ion accelerator technology for material engineering has been carried out. The objective of Jhe assesmenJ is to prepare the document about application of ion accelerator technology for the industry of material engineering. The assesment is related with the plan of establishment of accelerator laboratory at CRDA T of SA TAN, where the one of its applications in the future is for industry of material engineering. Application of accelerator technology for material. engineering is mostly using ion implantation technique, where ions of certain atoms (called dopan) are implanted into material after accelerating up to a certain kinetic energy.
Ion implantation technique in material engineering can be used for surface treatment of industrial engine components such as heat exchanger, turbin, secker ring, gear, roller, etc. The kinds of dopan ions, which were used for surface treatment, are reactive elements such as 1'; Ce, Zr, Hf, Ti, and Cr, Ta as well as N ions. The ion current for surface treatment is from .uA up to mA, with the energy of 20 to 600 ke V which can be provided by ion implantation accelerator. Therefore the application of accelerator laboratory for the industry of material engineering needs one unit of ion implantation accelerator which produces various kind
of ions with variable ions energy from 20 up to 600 keY and equipped with its supportingfacilities.
Key words: ion accelerator, material engineering
PENDAHULUAN
I encana pembangunan laboratorium berbasis r"IC teknologi akselerator di P3TM BAT AN ---'" Y ogyakarta merupakan suatu program jangka panjang BA TAN mengingat perkembangan
teknologi akselerator dan pemanfaatannya yang telah berkembang sangat pesat terutarna di negara-negara rnaju. Secara umum tujuan pembangunan labora- torium akselerator tersebut adalah untuk peningkatan litbang pendayagunaan akselerator dalam rangka
membantu menyelesaikan perrnasalahan pem-
bangunan nasional dalam rangka meningkatkan kesejahteraan masyarakat clan kinerja industri nasional, serta pendidikan clan pelatihan dalarn rangka pembinaan clan peningkatan kemampuan SDM dengan tujuan mendapatkan personil yang terampil clan berpengetahuan.
Salah satu manfaat yang diharapkan daTi laboratorium akselerator yang akan dibangun tersebut adalah dapat diaplikasikan untuk rekayasa bahan. Dalam era industrialisasi, mutu produk industri clan teknologi yang dipakai untuk proses Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi
Akselerator dan Aplikasinya Vol. 5, No.1, Oktober 2003.. 84 -91
84
dalikan karakteristiknya (intensitas, ukuran berkas, energi kinetik, clan sebagainya). Bila berkas ion atau elektron yang telah dipercepat di dalam akselerator mengenai suatu bahan akan terjadi suatu interaksi yang akan memberikan efek yang beraneka ragam.
Oleh karena itu aplikasi akselerator saat ini te!ah menjangkau ke segala bidang[IJ.
Secara makro efek interaksi berkas partikel dengan bahan sasaran adalah penyerapan berkas partikel secara total oleh bahan sasaran clan penembusan bahan sasaran oleh berkas partike!.
.Penyerapan berkas partikel secara total oleh bahan sasaran diakibatkan oleh tumbukan berulang kali antara berkas partikel (elektronl
ion) dengan elektron atau inti atom bahan sasaran sehingga secara bertahap akan kehilangan energi kinetiknya clan akhirnya berhenti pada kedalaman tertentu. Hal yang perlu diperhatikan pada peristiwa ini adalah kedalaman penetrasi rata-rata R clan penebaran (straggling) O'R, pelebaran ukuran berkas, serta laju kehilangan energi (dE/dX) berkas partikel sebagai fungsi kedalarnan penetrasi.
Kehilangan energi berkas partikel secara rnaternatis dapat dirumuskan sebagai berikut :
~= ( ~
dx dx. .
dE
dx.ln
=N(S.+S.)
(1)+
dengan N rapat rnassa pusat hamburan dan bahan target, s~ daya henti elektronik (berkaitan dengan tumbukan partikel dengan elektron bahan target) clan S" daya henti nuklir (berkaitan dengan tumbukan partikel dengan inti atom bahan target). Kedalarnan penetrasi partikel dalam bahan target atau sering juga disebut sebagai jangkau (range) adalahjarak total yang ditempuh
oleh partikel di dalam bahan target dihitung sejak partikel rnasuk hingga berhenti di suatu lokasi dalam bahan target. Secara matematis jangka\l total dapat dirumuskan sebagai berikut :
produksi harns suatu teknologi yang akrab
lingkungan. Hal ini menjadi tuntutan konsumen negara maju, terntama jika produk industri Indonesia diharapkan menjadi komoditas ekspor non-rnigas di pasar internasional. Selain ill dalam era komunikasi clan informatika, permasalahan yang perlu segera dicari cara pemecahannya adalah bagaimana dapat dilakukan kegiatan litbang yang hasilnya dapat dimanfaatkan untuk memproduksi komponen- komponen elektronika dan rnikroelektronika yang dap~t menopang kemajuan dalam bidang komunikasi clan informatika, serta teknologi maju lainnya, clan bagaimana dapat dilakukan rekayasa bahan dengan fungsi barn untuk produk-produk komersial yang dapat mengurangi ketergantungan import. Oleh karena ill untuk mengantisipasi permasalahan tersebut diperlukan penguasaan clan pemanfaatan iptek akselerator yang dapat berperan cukup berarti bagi penyelesaian masalah pengembangan industri di Indonesia.Akhir-akhir ini penggunaan teknik implantasi ion pada permukaan bahan metal dan isolator (non semikonduktor) mulai berkembang clan menjadi bertambah renting, disamping pemanfaatannya untuk doping bahan sernikonduktor. Dengan teknik ini dapat dilakukan modiftkasi kekerasan permukaan bahan, ketahanan terhadap korosi, ketahanan aus, sifat kelelahan bahan, sifat adesif atau kelakuan katalitik bahan. Pemanfaatan teknik implantasi ion
untuk rekayasa bahan maju ini telah digunakan
dalam industri otomotif, khususnya untuk memperbaiki unjuk kerja daTi komponen-komponenotomotif yang mengalarni tekanan clan gesekan
sangat tinggi. Selain dalam industri otomotif, teknik implantasi ion juga telah dimanfaatkan dalam industri komponen-komponen optik kualitas tinggi, bahan superkonduktor suhu tinggi clan bahan lapisan tipis magnet untuk sensor medan magnet.Dalam makalah ini disampaikan suatu basil kajian pemanfaatan teknologi akselerator ion, khususnya dengan teknik implantasi ion untuk
industri rekayasa bahan dalam rangka untuk
mendukung rencana pembanguan laboratoriumakselerator di P3TM BAT AN Yogyakarta yang salah satu pemanfaatannya adalah untuk rekayasa
bahan.
(2)
dengan m, massa atom partikel (amu, gram), ms massa atom target (amu, gram), Z, nomor atom partikel, Zs nomor atom target, p rapat massa target (glcm3), Eo energi partikel datang (keY).
Pada umumnya untuk keperluan teknis diglmnknn jnngknll pnrlikl'1 ynllit ~l'nrnI1 11l'llllnll arah mula-mula pauli SIIIII pllrlik~1 1IIIIsuk dllll disebut sebagai jangkau terproyeksi R"o Korelasi antara R, dengan Rp adalah sebagai berikut :
BAHAN KAJIAN
Interaksi Berkas Partikel Dengan Bahan
Di dalam iptek nuklir, khususnyn dnlnm
bidang fisika nuklir pengertian akselerator adalah
sebuah perangkat untuk mempercepat gerakan suatu partikel bermuatan (elektron atau ion) serta mengen-
KAJIAN TEKNOLOGI AKSELERATOR ION UNTUK 85 REKAYASA BAHAN
Djoko S. Pudjorahardjo, dkk.
rekombinasi, pemulihan kembali atom atau molekul ke keadaan semula (molec!uar rearrangement) atau dapat pula diikuti oleb peristiwa kirnia sehingga terbentuk molekul baru
(misalnya untuk proses pnlimerisasi). Proses
tersebut dapat digunakan rnisalnya untuk mendapatkan varietas barn tanaman tertentu atau untuk proses pengawetan makanan.I
[
(I+A)(
I-A) (3)
=- (S+A)-arc.cos --1-3A
4 2A I + A
dengan A = ms/mjo Bila A ~ 1 maka persamaan (3) dapat didekati dengan persamaan sebagai berikut:
R, +':'A (4)
3
Penebaran atau straggling O"R merupakan akibat dari jumlah tumbukan dan perpindahan energi pada setiap tumbukan yang bersifat acak, sehingga suatu ion dopan dengan energi awal
yang sarna akan mempunyai jangkau yang
berbeda. Secara rnaternatis O"R dirumuskansebagai berikut :
1m, +m, ml
R (5)
O"R
4 (mj + m,) ~ m, )
.Penembusan bahan sasaran oleh berkas partikcl karena bahan sasaran tidak dapat menghentikan gerakan partikel. Hal yang perlu diperhatikan pada peristiwa tersebut adalah energi berkas partikel (E,), pelebaran (O"E), pelebaran ukuran berkas, dan intensitas berkas (I,) setelah menembus bahan sasaran. Contoh aplikasi dari peristiwa penembusan bahan dengan berkas partikel adalah pada TEM (Transmission Electron Microscope).
Secara mikro efek yang terjadi bisa disebabkan oleh interaksi berkas partikel dengan elektron dan inti atom bahan sasaran. lnteraksi berkas partikel dengan elektron bahan sasaran akan
menyebabkan eksitasi dan/atau ioDisasi atom!
molekul bahan sasaran daD tertahanDya ion di dalam bahan sasaran seperti terjadi pada implantasi ion.
.Implantasi ion atau tertahannya partikel (ion) di
l
dalam bahan sasaran terjadi sebagai dampak daTi interaksi berkas partikel dengan elektron bahanl sasaran, di mana setelah mengalami berulang kali!tumbukan energi kinetik partikel b~rkurang daD!
arah gerakan partikel berubah. Apabila ketebalan:
bahan melebihi jangkau (range) dari berkas, partikel, maka partikel akan tertahan di dalam bahan. H:11 ini yang menjadi dasar untuk mengimplantasikan ion ke dalam suatu bahan pad a kedalaman tertentu.
lnteraksi berkas partikel dengan inti atom I meliputi peristiwa hamburan elastik, hamburaOr'
inelastik daD reaksi nukJir.
.Hamburan elastik terjadi hila selama proses I berkas partikel dihamburkan oleh inti atom bahan sasaran clan tidak terjadi eksitasi internaJ baik pad a berl~as partikel maupun inti atom bahan. Contohnya adalah peristiwa hamburan balik Rutherford (RBS = Rutherford Back Scattering) yaitu hamburan elastik dengan sudul harnburan 1800 clan bares deteksi 10') % atom RBS banyak digunakan untuk penyelidikan I karakteristik clan kontaminasi permukaan bahan, penyelidikan kedalaman serta profil ion-ion yang1
diimplantasikan ke dalam suatu bahan, clan untuk mengetahui stoichiometri suatu senyawa.
.Hamburan inelastik terjadi bila ulti atom mengalarni eksitasi. Peristiwa eksitasi inti atom diikuti dengan peristiwa PIGE (Prompt Ion Induced Gamma Emis~.ion). Peristiwa ini banyak digunakan sebagai m~tode analisis unsur yang sangat cepat clan teliti.
.Reaksi nukJir terjadi bila tumbukan berk.1S partikel dengan inti atom menghasilkan inti atom barn. Peristiwa ini digunakan sebagai salah satu cara untuk memproduksi radioisotop. Bila jenis
ion yang digunakan adalah deuterium dan targetnya tritium (D, T) maka akan dihasilkan neutron cepat 14,5 MeV. Neutron ter..ebut dapat dimanfaatkan untuk analisis unsur dan dinamakan metoda FNAA (Fast Neutron Activation Analysis). Metode ini sangat teliti yaitu dengan batas limit deteksi dalam orde 10"
% atom, dari unsur ringan sampai berat.
Jenis efek yang terjadi pada inter:: ~ksi ~ antan
berkas partikel dengan bahan tergantung pada-.
86
Eksitasi terjadi karena atom atau molekul mengalami tambahan energi dari luar, sehingga elektron atom atau molekul tersebut terangkat ke orbit dengan energi yang lebih tinggi. Secara alarniah kelebihan energi elektron tersebut akan dilepaskan dengan cara memancarkan raton yang kemudian dikenal sebagai Particle Induced X- ray Emission atau PIXE. Dari karakteristik sinar- X yang dipancarkan dapat diketahui jenis atom atau unsur yang telah tereksitasi oleh partikel.
Oleh karena itu metode PIXE yang sangat efektif digunakan untuk analisis unsur.
Ionisasi atom atau molekul. adalah peristiwa terlepasnya elektron dari atom atau molekul.
Peristiwa ionisasi dapat diikuti oleh peristiwa
-~
Prosiding Pertemuan dan Presentasi llmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya
Vol. 5, No. J, Oktober 2003.. 84 -91
Volume 5, Nomor I, Oktober 2003 ISSN 1411-1349
energi, intensitas (dosis) danjenis partikel sertajenis bahan sasaran. Parameter-parameter tersebut
dinarnakan parameter proses, sehingga berdasarkan pada efek tersebut rnaka akselerator dapat digunakan sebagai alat produksi, alat proses dan alat analisis yang sangat akurat dan cepat. Berdasarkan pada efek yang terjadi akibat interaksi berkas partikel del1gan bahan akselerator ion telah banyak diaplikasikan untuk berbagai tujuan terrnasuk di bidang industri untuk rekayasa bahan.
.Kedalaman penyisipan maupun distribusi atom dapat dikendalikan secara akurat dengan cara mengendalikan tegangan pemercepat.
.Kemurnian atom sisipan dapat dipilih secara akurat dengan menggunakan spektrometer massa yang tersedia pada mesin irnplantor ion.
Disarnping keunggulan-keunggulan terse but, tekno- logi akselerator ion juga mernpunyai beberapa kelemahan yaitu:
.Teknologinya sangat komplek
.Harganya rnahal sehingga diperlukan modal awal yang cukup besar.
Aplikasi Akselerator Ion Untuk Rekayasa Bahan
Tujuan aplikasi akselerator ion untuk rekayasa bahan adalah untuk meningkatkan unjuk kerja dari suatu bahan atau komponen yang telah ada dengan cara menambahkan unsur tertentu ke dalam bahan dengan komposisi clan kedalaman tertentu.
Jenis akselerator ion yang banyak digunakan dalam bidang rekayasa bahan adalah jenis akselerator ion energi rendah « 1 MeV) clan e.rus berkas ion dalam orde ratusan ~. Jenis ion yang digunakan mulai dari atom ringan hingga atom berat. Jenis aksele- rator ion ir.i disebut juga dengan implantor ion yang secara khusus untuk mengimplantasikan atom tertentu ke dalam suatu b~han. Karena kedalaman penetrasi ion dalam orde ~ maka alat ini hanya cocok urltuk perlakuan permukaan (surface treatment)[2].
Parameter Proses
Untuk mendapatkan basil yang optimum maka faktor yang barns diperbatikan adalab parameter proses. Parameter proses meliputi energi (E), dosis/intensitas (D) clan jenis ion yang diimplantasikan serta jenis baban yang di-treatment.
Energi ion akan menentukan kedalaman penetrasi ion yang terirnplantasi seperti ditunjukkan pada persamaan (2), sedangkan dosis ion akan men en- tukan jumlab atau konsentrasi atom yang terirnplantasi dalam baban seperti ditunjukkan pada persamaan berikut :
(X-Rp)21
D (6)
N(x) = "'I__exP
l
-20"RV 27r 0" R .
dengan D dosis ion yang besamya ditentukan oleh nilai arus berkas ion maupun lamanya proses irnplantasi i('ln. Untuk arus berkas ion yang konstan, maka dosis ion dinyatakan sebagai berikut :
D=~
qeA
dengan I arus berkas ion (A), t larnanya proses irnplantasi (detik), A luas perrnukaan sasaran (cm1, q charge state ion, dan e muatan elektron (1,6 x 1019 coulomb).
Disamping parameter proses tersebut di atas, diagram rasa merupakan faktor yang sangat penting pada proses irnplantasi ion, terutarna pada proses
irnplantasi ion untuk pengerasan suatu bahan.
Diagram rasa merupakan diagram keseimbangan
antara rasa-rasa yang ada dalam suatu paduan pada kondisi prosentase dan ternperatur tertentu. Diagramrasa sangat penting karena merupakan petunjuk
jumlah % atom yang harus diirnplantasikan untuk menuju rasa tertentu. Pada Gambar 1 ditampilkan suatu contoh diagram fa sa Fe-N.Penelitian aplikasi implantor ion untuk
rekayasa bahan atau perlakuan permukaan bahan
bukan elektronik (logan!, kerarnik maupun kaca) dimulai pada tahun 1970. Penelitian tersebut dif'Jkuskan pada peningkatan sifat-sifat permukaan bahan seperti sifat mekanik (kekerasan, ketahanan aus, gesek, umur kelelahan), sifat kelistrikan, sifat\.-emagnetan, sifat kimia maupun sifat optis clan ternyata hasilnya sang at menggembirakan. Sejak saat maka itu akselerator ion banyak digunakan dalam bidang industri untuk rekayasa bahan(3).
Keunggulan teknologi akselerator ion (implantasi ion) untuk perlakuan permukaan bahan dibandingkan dengan cara konvensional (nitridasi, karbonisasi, karbonitridasi, induksi listrik maupun nyala api) adalah sebagai berikur4,S):
.Prosesnya dapat dikerjakan pada suhu kamar
sehingga kemungkinan timbulnya thermal ~.tress dapat dihindari..Tidak ada perubahan dimensi yang berarti pada bahan atau komponen yang di-treatment.
.Prosesnya lebih cepat (orde menit) jika dibandingkan dengan yang konvensional (orde hari).
.Tidak perlu perlakuan lagi (reheat treatment).
87 KAJIAN - TEKNOLOGI AKSELERATOR JON UNTUK
REKAYASA BAHAN
Djoko S. Pudjorahardjo, dkk.
~e~,Nomor
I, Oktober 2003
ISSN /4//-1349Gambar 1. Diagram rasa Fe-N.
Atom N (nitrogen) sering digunakan untuk pengerasan suatu bahan yang terbuat dari besi atau baja karbon. Proses pengerasan secara implantasi ion dengan atom N disebut sebagai proses nitridasi.
Bila besi diimplantasi dengan atom N dengan prosentase tertentu rnaka akan terbentuk suatu rase Fe-N dengan ketebalan tertentu tergantung pada energi ion N yang diimplantasikan. Fase Fe-N ini yang mempunyai sifat sangat keras.
dilnanfaatkan untuk surface treatment bahan atau komponen yang selalu mengalami interaksi aktif misalnya gesekan clan reaksi kimia dengan sekitamya seperti banyak d~urnpai pada komponen- komponen mesin industri 6,7,81. Pada Tabel I ditampilkan beberapa jenis komponen mesin yang memerlukan surface treatment menggunakan implantasi ion[SI,
Mesin penukar panas (heat exchanger) banyak digunakan pada industri kimia seperti industri petrokimia:, batubara, semen, kertas, makan- an, clan lain-lain serta industri nuklir. Pada mesin penUkar kalor ada komponen yang selalu beroperasi pada suhu tinggi (700 °C) clan selalu dilewati fluida.
Akibatnya komponen tersebut akan mengalami oksidasi/korosi. Biasanya komponen untuk mesin penUkar panas sudah dipilih dari bahan yang tahan temperatur tinggi clan marnpu menghasilkan lapisan pelindung oksidasi yang bebas kerak dan pori.
Namun lapisan proteksi yang telah terbentuk cenderung mengelupas karena adanya stress dalam perturnbuhan oksidanya sendiri, adanya strain yang dihasilkan peristiwa mekanis di dalam koinponen pada saat diperbaiki, atau stress yang muncul dari proses thermal cycling karena perbedaan koefisien muai panas antara oksida dengan bahan induknya.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Berdasarkan pada bahan kajian yang telah diperoleh maka jenis akselerator ion yang banyak digunakan dalam bidang rekayasa bahan adalahjenis akselerator ion energi rendah « 1 MeV) atau lebih dikenal dengan implantor ion, daD arus berkas ion dalam orde ratusan ~ dengan jenis ion yang bervariasi mulai daTi ion atom ringan hingga ion atom berat. Sedangkan parameter proses yang sangat penting adalah energi clan dosis ion serta jenis ion yang diimplantasikan. Dengan teknik implantasi ion rnaka atom-atom yang diimplantasikan ke dalam suatu bahan dapat memberikan efek daya tahan meningkat, daya tahan korosi meningkat, keausan serta gesekan berkurang. Hal ini banyak
Prosiding Pertemuan dan Presentasi I/miah Teknologi
88Ak3'elerator dan Aplikasinya
Vol. 5. No. I. Oktober 2003.. 84 -91
Tabel 1
Beberapa jenis kom£onen industri yang memerlukan surface treatment dengan teknik implantasi ion' I.JENIS KOMPONEN INDUSTRI SPESIES ION DOP AN
Mesin penukar panas Elemen reaktif (Y, Ce, Zr,
Hf, Ti)
Petrokimia, barn bara, semen,kertas, makanan
Turbin / blade / sudu Pembangkit tenaga listrik, otomotif, kereta api, perkapalan
Cr atau Ta
Bearing/piston I ring secker I poros engkoll roda gigi
OTOMOTIF, KERETA
PESA W AT TERBANG
API,
Ti clan C atau Cr clan NRoller Tekstil, kertas Ta
Matabor Penninyakan, pennesinan Ta
Dies Otomotif, pembuatan komponen
mesin
Cr atau Ta
Sendi lutut buatan, sendi siku buatan, tulang pinggang buatan
Biomedis N
juga berinteraksi dengan fluida sehingga akan mudah terkorosi maupun teroksidasi. Untuk dapat meningkatkan ketahanan terhadap korosi clan oksidasi perlu surface treatment dengnn teknik implantasi ion. Selain itu komponen bearing, piston, ring seker, voros engkol, roda gigi juga banyak digunakan. Komponen-komponen terse but dalam operasinya selalu bergesekan dengan bahan lainnya sehingga mudah aus. Untuk meningkatkan ketahanan aus komponen-komponen tersebut perlu diimplantasi dengan ion (Ti + C) atau (Cr + N) pada dosis orde 1017 ion/cm2 clan energi 80 keY.
Disamping itu masih banyak jenis komponen mesin industri yang memerlukan surface treatment seperti roller pada industri tekstil clan kertas, mata bOT pada industri perminyakan clan permesinan, dies pada industri otomotif clan industri pembuatan komponen mesin. Bahkan pada industri pembuatan organ buatan seperti sendi lutut buatan, sendi siku buatan, tulang pinggang buatan yang biasanya dibuat dan paduan Ti-6Al-4Y, implantasi dengan ion N dapat menaikkan kekerasan (hardness) menjadi 3 kalinya clan menurunkan koefisien gesek dari 0,48 menjadi 0,15. Aplikasi akselerator ion energi rendah atau implantor ion untuk rekayasa bahan dapat direalisasikan apabila kebutuhan pengguna (user requirement) seperti pada Tabel 2 dapat dipenuhi.
Untuk mengatasi masalah tersebut biasanya
ditambahkan unsur-unsur lain pada jumlah daD ketebalan tertentu. Ur.sur-unsur yang ditambahkan untuk maksud tersebut dinamakan elemen reaktif.Unsur-unsur yang termasuk didalam elemen reaktif adalah Ytrium (Y), Cerium (Ce), Zirconium (Zr), Hafnium (Hf) daD TitaniUl1". (Ti). Elemen reaktif terseb11t berperan sebagai penstabil daD penambah daya lekat dari lapisan oksida protektif yang telah terbentuk sehingga menjadi kuat walaupun terjadi thermal cycling. Penambahan elemen renktif akan lebih efektif bila jumlahnya berkisar antara 0,1%
hingga 0,20;0 berat daD dapat terdistribusi secara merata pada ketebalan < 500 1..[9). Teknologi yang tepat untuk maksud tersebut adalah teknologi implantasi ion. Dengan teknoiogi implantasi ion maka penambahan unsur dalam orde 0,1% sampai 0,2% berat dapat diatur secara akurat dengan cara mengatur dosis ion. Sedang ketebalan < 500 I.. dapat diatur dengan cara mengatur energi ion yang akan diimplantasikan melalui pengaturan tegangan pemercepat implantor ion. Homogenitas ion yang terimplantasi dapat diperoleh dengan cara mengatur sistem lensa yang ada pada implantor ion.
Komponen turbin/blade/sudu banyak
digunakan pada industri pembangkit tenaga listrik, otomotif, kereta api, daD perkapalan. Komponen tersebut b~roperasi pada suhu sekitar 600 °c daDKAJIAN TEKNOLOGI AKSELERA TOR ION UNTUf{ 89 REKAYASA BAHAN
Djoko S. Pudjorahardjo, dkk.
Tabel 2. Kebutuhan pengguna aplikasi akselerator ion untuk rekayasa bahan
Implantor ion
Jenis akselerator
Variabel, 20 keY hingga 600 keY « 1 MeV)
Energi ion
1014 -1019 ion/cmJ
Dosis ion
Mikro hingga miliampere Arus ion
Kontinyu clan ukuran nonnal
Mode berkas ion
C, N, Cr, Ti, Ta, Y, Ce, Zr, Hr, Pb, Ag, Sn, Ti Jenis ion
Alat uji keras mikro, alat uji aus, alat uji lelah, alat uji korosi/oksidasi, SEM, EDAX, XRD.
Fasilitas pendukung uji ke- berhasilan proses implan- tasi ion
Kebutuhan l11angan untuk fasilitas karakterisasi
.Ruang penyiapan sampel: ruang pemotongan sampel, ruang polish, ruang mikroskop optik, ruang preparasi untuk TEM, ruang bebas debu.
.Ruang fasilitas uji: ruang TEM/SEM/EDAXS, ruang XRD, ruang uji mekanik, ruang uji elektrik, ruang uji
oksidasi, TGA, DTA.
pengembangan daD pemantaatan teknologi akselerator di BAT AN perlu diprioritaskan pembinaan kemitraan melalui Riset Unggulan Terpadu (RUT), Riset Unggulan Kemitraan (RUK).
Hal ini untuk mengatasi kendala-kendala yang biasa dihadapi dalam pengembangan dan pemanfaatan teknologi maju seperti besarnya biaya pengembangan, sulitnya difusi clan komersialisasi clan sebagainya sebelum melakukan peugembangan maupun pemanfaatan lebih jauh. Dengan dernikian pengembangan clan pemanfaatan teknologi akselerator dapat dilaksanakan secara efisien dan efektif.
KESIMPULAN
Dari uraian di atas tcrlihat bahwa teknologi akselerator ion dapat memberikan prospek yang bagus dalam industri rekayasa bahan. Saat ini
BAT AN telah mempunyai fasilitas akselerator implantasi ion di Pusat Penelitian clan Pengem- bangan Teknologi Maju, Yogyakarta. Fasiiitas akselerator tersebut telah dimanfaatkan untuk litbang sintesis bahan semikonduktor tipe P clan N, serta modiftkasi sifat permukaan bahan non semi- konduktor (logam) besi dan baja. Tetapi hasil-hasil litbang tersebut belum mencapai dunia industri terkait. Faktor penyebabnya adalah bahwa pemanfaatan teknologi akselerator ion di Indonesia belum memasyarakat. Oleh karena itu masih perlu untuk dikembangkan lagi baik pemanfaatan maupun penguasaan teknologinya.
Teknologi akselerator termasuk teknologi maju sehingga diperlukan strategi tertentu dalam pengembangan teknologi clan pemanfaatannya yaitu strategi kemitraan (partnership). Kemitraan dapat mendukung pengembangan teknologi, meningkatkan mekanisme untuk komersialisasi clan difusi teknologi akselerator, menciptakan spin-off suatu perusahaan atau industri yang berbasis teknologi akselerator.
Saat ini krisis ekonomi di Indonesia sangat berpengaruh pada pendanaan program litbang. Oleh karena itu kemitraan memberikan akses ke pendanaan, pelatihan, dan merangsang timbulnya jaringan kerja antara pelaksana seperti perguruan
tinggi, lembaga litbang, serta industri[loJ. Dalam
Dan kajian yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa aplikasi akselerator ion untukI
rekayasa bahan memerlukan jenis akselerator ion energi rendah « 1 Me V) atau lebih dikenal dengan implantor ion yang dilengkapi dengan beberapa fasilitas pendukung. Walaupun akselerator sejenis saat ini sudah ada di Puslitbang Teknologi Maju BAT AN Yogyakarta sebagai hasil rekayasa sendiri, tetapi karena energinya hanya teruatas sampai 100 keY maka perlu ada usaha peningkatan energi ion yang lebih tinggi, rnisalnya dengan pengadaan I
irnplantor ion yang barn atau dengan peningkatan kemampuan sumber tegangan tinggi pemercepat ion Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi 90
Akselerator dan Aplikasinya Vol. 5. No. J. Oktober 2003: 84 -91
Volume 5, Nomor I, Oktober 2003 ISSN 141 1-1349
daTi implantor ion yang ada. Pengembangan
teknologi clan pernanfaatan akselerator perlu dilakukan uengan strategi kernitraan melalui R1:Jr clan RUK itgar dapat dilakukan secara efisien dan efektif. Dengan dernikian rnaka basil-basil penelitian dan terutama aplikasinya dapat menembus dunia industri.[10]YUNASFI, dkk., Pengkajian Pendayagunaan Akseleratorlon Untuk Rekayasa Bahan, Jurnal Pengkajian gains clan Teknologi Nuklir, Vol. 7, No.2, Desember 2001.
TANYAJAWAB
ACUAN
Taxwim
-Bagaimana penggunaan untuk bidang mikro elektronik?
Djoko SP.
-Dalam bidang elektronik, diperlukan energi yang Iebih dati 1 MeV, dengan fasilitas pendukung yang berbeda dengan pemanfaatan untuk rekayasa
bahan.
Budi Santosa
-Apakah implantor ion yang ada di P3TM dengan energi ion 100 keY rnasih dapat dirnanfaatkan/
dioptirnalkan untuk penelitian-penelitian.
-Apakah keuntungan atau kelebihan antara akselerator ion dengan akselerator elektron!
Mohon dijelaskan.
Djoko SP.
-Implantor ion dengan energi ion 100 ke V saat ini banyak dimanfaatkan untuk surface treatment, terutarna dengan kedalaman penetrasi < 500 A , misalnya untuk pengerasan permukaan logam dengan ion nitrogen (nitridasi) yang hanya memerlukan energi ion di bawah 100 keY.
-Akselerator ion dengan akselerator elektron mempunyai rnanfaat yang berbeda. Akselerator ion banyak dirnanfaatkan misalnya untuk rekayasa bahan, analisis, terapi kanker, dll. Sedangkan akselerator elektron banyak dimanfaatkan untuk proses radiasi untuk menimbulkan reaksi kimia
seperti cross linking, sterilisasi, dU. Sehingga rnasing-rnasing punya kelebihan menurut pernanfaatannya.
daD P31
Sulamdari
-Apakah arti elemen reaktif?
termasuk tidak?
Bl [1] DJALOEIS, A, Pengembangan Teknologi
Akselerator dan Pemanfaatannya di Indonesia, Prosiding Seminar Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan Dan Teknologi Nuklir, PPNY -BATAN, 23 -25 April 1998.
[2] HERMAN, H., Modification of The Surface Mechanical Properties of Ferrous by Nitrogen Ion Implantation, Proceeding of 3 rd International Conference on Modification of Surface Properties of Metals by Ion Implantation, Pergamon Press, Oxford, 1981.
[3] SIOSHANSI, P., Surface Modification of Industrial Components by Ion Implantation, Nuclear Instruments and Methods in Physics Reseach, B 24/25 (506 -511) , North Holland, Amsterdam, 1987.
[4] DRESSELHAUS, M.S., KALISH, R., Ion Implantation in Diamond, Graphite and Related Materials, Springer Series in Materials Science 22, Springer-Verlag, New York, 1982.
[5] RYSSEL, H.I, Ion Implantation, John Willey &
Sons, New York 1989.
[6] MUNN, P., WOLF, G.K., Corrosion Behaviour ofTi Surface Ion Beam Alloyd With Pd, Nuclear Instruments and Methods in Physics Reseach, B 7/8 (205 -211), North Holland, Amsterdam,
1985.
[7) HUBBLER, O.K., SMITH, F.A., Application of Ion Implantation to Wear Protection of Materials, Nuclear Instruments and Methods in Physics Reseach, B 7/8 (515 -517), North
Holland, Amsterdam, 1985.
[8] PEffiE, Z., et. al., The Effect on N+ Ion Beam Bombardment on Aqueous Corrosion of Iron, Nuclear Instruments and Methods in Physics Reseach, B 7/8 (195 -199), North Holland, Amsterdam, 1985.
[9] WHITE, C. W., et. al., Materials Science Reports, A Review Journal, North Holland, Amsterdam, 1989.
Djoko SP
-Elemen reaktif adalah elemen-elemen yang
mudah bereaksi dan dalam hat ini membentuk laRisan oksida (contoh : Hf, Cr, Ti, dll). Bit dan p I tidak terrnasuk elemen reaktif.-- 91
KAJIAN TEKNOLOGI AKSELERATOR ION UNTUK REKA Y ASA BAHAN
