EFEK IMPLANTASI NITROGEN TERHADAP LAJU
PERTUMBUHAN KERAK OKSIDA PADA PADUAN DI
LINGKUNGAN OKSIGEN TEMPERATUR TINGGI.
M. Munawir Zulkarnain
Pusat Pengembangan Perangkat Nuklir -Batan
Tjipto.S
Puslitbang Teknologi Maju -Batan
Pudji Untoro
Puslitbang Sistem Reaktor Maju - Batan
ABSTRAK
EFEK IMPLANTASI NITROGEN TERHADAP LAJU PERTUMBUHAN KERAK OKSIDA PADA PADUAN DI LINGKUNGAN OKSIGEN TEMPERATUR TINGGI . Efek implantasi nitrogen terhadap
laju pertumbuhan kerak oksida pada paduan di lingkungan oksigen temperatur tinggi Implantasi Ion Nitrogen telah digunakan untuk meningkatkan ketahanan korosi bahan rekayasa temperatur tinggi. Implantasi dilakukan menggunakan akselerator ion tenaga rendah pada energi 100 keV. Paduan sebagai bahan uji coba dipilih SS 304, SS 316 dan Fe Ni Cr yang biasa dipakai di lingkungan temperatur di atas 400°C sebagai lingkungan korosi panas. Bahan uji di coating dengan Yttrium, kemudian di implantasi dengan Nitrogen pada dosis O (tanpa implantasi).1 × 1017ion/cm2, 5 × 1017 ion/cm2 dan 10 × 1017ion/cm2. Uji korosi dilakukan di lingkungan oksigen temperatur tinggi secara thermociclyc, selang waktu 12 jam pemanasan dan pendinginan 1 jam selama 64 jam. Laju korosi diukur menggunakan timbangan mikro, hasilnya menunjukkan bahwa pada paduan yang telah dicoating Yttrium dan diimplantasi Nitrogen akan menaikkan laju pertumbuhan kerak, dan pada kondisi tertentu dapat menaikkan stabilitas lapisan kerak oksida, kondisi ini selain meningkatkan stabilitas kerak oksida juga meningkatkan ketahanan terhadap aus dan erosi.
ABSTRACT
EFFECT OF NITROGEN ION IMPLANTATION ON THE OXIDE SCALE GROWTH RATE ON ALLOYS IN HIGH TEMPERATURE OXIGEN ENVIRONMENT. Effect of nitrogen ion implantation on
the oxide scale in high temperature oxygen environment for improving the corrosion resistance has been applied on alloys implanted yttrium. Ion implantation has been carried out using low energi ion accelerator at energy 100 keV. Samples were examined at this experiment were SS 304, SS 316 and FeNiCr which usually used > 400 oC. Before implanted with nitrogen, samples were coated with yttrium. Coated samples were than implanted with nitrogen for various of ion dose, namely 1 × 1017 ion/cm2, 5 × 1017 ion/cm2, and 10 × 1017 ion/cm2 . Thermocyclic experiment has been carried out in high temperature oxygen environtment for 64 hours, 12 hours for oxidation and 1 hour for cooling time. Oxidation rate were measured using microbalancing. It’s found that for samples coated with yttrium and implanted with nitrogen ion shows an increasing in oxidation rate. And at determined value, it can improve the oxide scale. Beside this, it can also improve its wear and erotion.
PENDAHULUAN
fisiensi suatu proses industri, dapat ditingkatkan melalui temperatur operasi, Namun bila pendekatan ini yang dipilih, hambatan yang akan dihadapi adalah ketersediaan bahan logam/paduan logam temperatur tinggi yang harganya selain mahal juga serangan korosi semakin tinggi, sedang bila digunakan bahan yang ada dan lebih murah serta
tersedia banyak dipasaran seperti paduan SS 316, SS 304, SS 316 L dan lain sebagainya, meski kondisi operasi terpenuhi, kemampuan menghadapi korosi temperatur tinggi diragukan, terutama bila lingkung -an gas s-angat agresif, d-an kondisi temperatur tinggi bersifat thermocyclic. Kare na pada temperatur tinggi korosi terjadi melalui difusi atom/molekul dari gas lingkungan ke dalam matrik, bereaksi dengan unsur
E
logam membentuk reaksi korosi di dalam matrik atau atom dari dalam matrik keluar bereaksi dengan gas dipermukaan membentuk oksida logam atau reaksi korosi sebagai kerak oksida (scale). Mengingat pada temperatur semakin tinggi, difusi semakin besar, maka proses korosi juga semakin cepat. Proses difusi ini dapat dikurangi, bila dipermukaan terbentuk lapisan oksida yang cukup rapat sehingga dapat menghalangi proses transport lebih lanjut. Untuk mengatasi hal ini, perlu dilakukan proses modifikasi bahan, misalnya dengan menambah unsur penguat, untuk penghematan biaya, modifikasi hanya dilakukan dipermukaan keuntungannya selain jumlah unsur bisa lebih sedikit, perlakuan modifikasi bisa dilakukan pada komponen yang sudah jadi. Modifikasi permukaan dengan menggunakan metode “surface treatment” seperti Coating, Implantasi ataupun sputtering telah banyak dipakai berbagai kepentingan, untuk peningkatan kualitas bahan, seperti penambahan nitrogen untuk peningkatan ketahanan aus[1], kekerasan[2] sifat mekanik paduan besi[3] atau penambahan elemen Reakif Ce,Y, Zr, Ca atau atom lain Ti untuk peningkatan ketahanan korosi.[4-9] Dalam laporan ini disajikan hasil penelitian pengaruh penambahan nitrogen dengan teknik implantasi terhadap bahan yang telah diberi elemen reaktif Yttrium terhadap ketahanan korosi temperatur tinggi di lingkungan thermocyclis. Implantasi nitrogen dimaksudkan untuk meningkatkan efektifitas Coating Yttrium yang punya kelemahan pengelupasan (spalasi) bersamaan dengan bila lapisan kerak yang terbentuk dipermukaan pengelupasan (spalasi) lapisan kerak korosi saat menghadapi serangan thermocyclis pada temperatur cukup tinggi. Selain itu implantasi nitrogen diharapkan juga menambah kemampuan dalam menghadapi serangan aliran gas dengan kecepatan cukup tinggi dilingkungan temperatur tinggi tersebut karena sifat penambahan nitrogen pada bahan punya efek meningkatkan kekerasan, ketahana n aus dan serangan abrasi teknik modi-fikasi ini diharapkan, selain menjadikan bahan tahan korosi diberbagai lingkungan, juga tahan terhadap serangan gesekan mekanis dalam lingkungan cairan dan gas maupun benda padat.
LATAR BELAKANG TEORI DAN
HIPOTESA
Coating Yttrium dilaksanakan dengan metode evaporasi, oleh beberapa parameter penting yang mempengaruhi proses coating metode ini adalah : Jenis material yang akan dilapiskan (Zi, Mi) dan yang akan dilapisi (Zs, Ms)[2] tekanan uap (p)[3] temperatur proses kondisi sistem (kebersihan)[6] geeometri
dimana jenis material yang akan dilapiskan akan berkaitan dengan energi proses, yang diperlukan untuk penguapan, sedang material yang akan dilapisi berhubungan dengan kekuatan atom yang terdeposit diantara atom-atom sasaran. Tekanan uap berkaitan dengan jumlah zat sisa (residu) yang tentu saja berkaitan dengan jejak partikel atom yang akan terdeposit, sedang tempe -ratur terutama berhubungan dengan penguapan material yang akan diuapkan dan mempengaruhi tekanan uap jenuh antara P & T saling terkait. Goeneometri sistem akan mempengaruhi jejak partikel dan distribusi ketebalan sedang kebersihan akan mempengaruhi kemurnian hasil Coating secara teori besarnya partikel yang akan terlapiskan yang mengikuti hubungan[8] :
Ni = Po(2 M KT)− 1 2 π = 3513 10× 22× − 1 2 . Ps M T( )
dengan Ps : tekanan uap jenuh (torr) T : temperatur (°K)
M : Berat molekul matrial yang dilapisi (SMA)
Bila sumber berbentuk titik (point like) maka bentuk distribusi dilakuka n mengikuti hubungan :
t t x h x 0 2 1 3 2 = + −
dengan to = Tebal lapisan maksimum pada pusat
tx = Tebal lapisan pada jarak x dari point
V = Jarak dari pusat tumpu h = Jarak sumber dengan subtrat. Sehingga bentuk distribusi sejauh seperti terlihat pada Gambar 1. Sedang bila sumber berbentuk plat dengan sasaran bentuk plat maka distribusi tebal lapisan akan mengikuti hubungan matematis :
t t x h x 0 2 2 1 = + −
Sedang tebal lapisan yang diperoleh mengikuti hubungan :
t = W(2πph2)−1
dengan W : Berat bahan yang diuapkan p : Masa jenis bahan yang akan dilapis - kan (g/cm2)
h : Jauh sumber ke subtrat
Gambar 1. Bentuk distribusi tebal lapisan hasil evaporasi sumber titik.
Dari uraian di atas terlihat bahwa Coating Yttrium hanya akan melapisi permukaan bahan pada ketebalan t atau to dengan kadar tergantung waktu oprasinya. Implantasi ion berat diharapkan dapat mendesak Yttrium ke dalam bahan, melalui proses tumbukan antara ion berat dan Yttrium. Dalam hal ini dipakai nitrogen dengan harapan, selain mem-perbaiki kedalaman penetrasi Yttrium, sekaligus membantu memperbaiki sifat bahan seperti keke -rasan, ketahanan terhadap aus, sifat kekerasan dan lain sebagainya. Menurut LSS jangkau kedalaman penetrasi implantasi dengan tidak melibatkan faktor difusi adalah : R A m m No m m z Z Z Z E o i s i s i s i s ( ) . ( ) = × ++ × + 11 10 3 26 2 3 2 3 1 2 Dengan penyebaran
:
( ( )) ( ) ∆R A m m m m m m R o i s i s i s = 3 ++ × 4 1 2dengan E = Energi kinetik rata-rata ion (KeV) mi tI = Masa dan nomor atom ion
ms zs = Masa dan nomor atom target
No = Rapat atom sasaran
= ρN Am
s
dan ρ = Rapat masa
NA = Bilangan avogadro (6.02 × 1023 ) atm/ grat dengan mengabaikan faktor difusi. Implantasi ion akan diperoleh ditribusi konsentrasi yang mengikuti hubungan :
N x D R x R R ( ) = exp − − π∆ ∆ 1 2 2
dengan D = Dosis ion
Sedang bila efek difusi dimasukkan, maka distri-busi konsentrasi mengikuti hubungan
N x D D R R x R D t p p ( ) = exp ( + − − + 1 2 2 4 1 2 2 1 ∆ ∆ ρ
dengan D1 = Koefisien difusi ion dalam subtrat Selain distribusi ion adanya difusi, juga akan menggeser posisi ion lebih kedalam mengikuti hubungan :
x2 = D1 t
dengan t : waktu pemanasan akibat implantasi Dari kedua pendekatan rumus diatas penggabungan antara Coating Yttrium dan implantasi nitrogen ini selain akan memperbaiki distribusi Yttrium dan kedalaman penetrasi juga dapat meningkatkan kualitas bahan seperti ketahanan terhadap serangan korosi, kekerasan, ketahanan aus, ketahanan erosi dan abrasi melalui tambahan Yttrium dan nitrogen. Permasalahannya apakah penambahan nitrogen yang lebih banyak dan memperbaiki sifat mekanik bahan, apakah tidak mempengaruhi ketahanan korosi yang berarti mengurangi efek elemen reaktif dari Yttrium sehingga menjadi kurang efektif.
PELAKSANAAN PERCOBAAN
Percobaan dilakukan dengan menggunakan sampel berbentuk cakram (disk) dengan diameter 1,5 cm, tebal 2 mm, dengan terlebih dahulu di polish
sampai mengkilat dan dibersihkan dengan bahan kimia. Langkah ini untuk menjamin tidak ada lagi kotoran yang mengganggu proses modifikasi. Selanjutnya bahan di Caoting dengan menggunakan Yttrium, untuk mendapatkan lapisan Yttrium dengan distribusi cukup rata. Bahan -bahan yang telah di Caoting, selanjutnya diimplantasi dengan nitrogen, menggunakan akselerator ion pada arus dan tegangan tetap, dan waktu yang berbeda-beda. Dalam penelitian ini telah dilakukan pada 3 macam bahan yakni Fe Ni Cr, SS 304, dan SS 316 yang di Coating dengan Yttrium pada kondisi operasi sama. Sedang implantasi N2 dilakukan pada arus 10 µA dan
tegangan 100 keV waktu oprasi berbeda -beda. Uji
korosi temperatur tinggi secara thermocyclis dilakukan pada temperatur 800 °C, dilingkungan oksigen 1,7 bar waktu korosi 8 jam dan pendinginan 1 jam. Uji coba dilakukan selama 72 jam secara nonstop.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Berdasar pengamatan dengan menggunakan timbangan mikro, pada saat sampel di tarik keluar sekaligus sebagai proses pendinginan diperoleh hasil seperti terlihat pada Gambar 1, 2, 3.
Gambar 2. Grafik penambahan berat FeNiCr hasil pengamatan dengan timbangan mikro, yang di oksidasi di lingkungan temperatur tinggi 800 oC, tekanan 1,7 bar, selama 72 jam secara thermocyclis waktu oksidasi 8 jam dan pendinginan 1 jam.
Gambar 3. Grafik penambahan berat SS 304 hasil pengamatan dengan timbangan mikro, yang di oksidasi dilingkungan tempereatur tinggi 800 oC,
tekanan 1,7 bar, selama 72 jam secara thermocyclis waktu oksida 8 jam dan pendinginan 1 jam.
Gambar 4. Grafik penambah berat SS 316 hasil pengamatan dengan tim-bangan mikro, yang di oksidasi dilingkungan sehingga tempe-ratur tinggi 800
o
C, tekanan 1,7 bar, selama 72 jam secara thermocyclis waktu oksida 8 jam dan pendinginan 1 jam.
Dari Gambar 2, 3, dan 4 terlihat bahwa implantasi nitrogen akan menaikkan laju korosi.. Semakin tinggi dosis implantasi semakin cepat pembentukan lapisan kerak oksida proses ini terjadi selama 16 jam. Selanjutnya dioksidasi tidak lagi terjadi dengan ditandai tidak adanya pertambahan berat pada bahan bahkan cenderung terjadi pengelupasan kerak oksida, terkecuali pada bahan FeNiCr yang di Coating Ytrium dan dimplantasi pada dosis 5 × 1017 ion/cm2 . Sedang pada bahan lain seperti SS 304 dan SS 316 proses pengelupasan kerak oksida terjadi sangat cepat, bahkan pada SS 316 yang diimplantasi pada dosis 10 × 1017 ion/cm2 pengelupasan terjadi tidak saja pada lapisan karakterisasi berikut matrik bahannya. Sehingga berat bahan menjadi lebih rendah dari berat sebelum mengalami proses oksidasi ini terjadi setelah oksidasi selama 24 jam, dengan pendinginan 3×. Dari data d iatas dilihat dari sudut pandang ketahanan korosi, implantasi nitrogen tidak selalu mengutungkan terkecuali pada dosis dibawah 5 × 1017 ion/cm2 atau diatas 1 × 1017 ion/cm2. Dari Gambar 2 Coating Yttrium cukup memberi pengaruh terhadap stabilitas lapisan oksigen ini berbeda dengan bahan gas tidak diberi tambahan Yttrium seperti terlihat pada Gambar 4. Dalam penelitian ini belum dilakukan karakterisasi mikro struktur terhadap sampel, maupun proses pemben-tukan lapisan oksida jenis oksida yang selama proses oksidasi dan pengelupasan (spalasi). Dengan karakterisasi ini sebenarnya akan bisa diamati atom apa yang bereaksi dari waktu kewaktu sehingga terjadi penambahan berat, hal ini belum
bisa penulis lakukan. Selain biayanya mahal, terutama karena tidak punya peralatan sendiri, demikian juga uji kekerasan dan ketahanan aus belum bisa dilakukan.
KESIMPULAN DAN SARAN
Dari uraian dan data diatas, dapat disimpul-kan bahwa :
1. Coating Yttrium akan dapat menaikan stabilitas lapisan oksida.
2. Implantasi nitrogen akan menaikkan laju korosi dan pembentukan lapisan oksida mantap namun implantasi nitrogen tidak selalu menguntungkan terhadap ketahanan terhadap serangan spalasi. 3. Untuk penyempurnaan penelitian ini masih
terbuka peluang penelitian karakterisasi mikro -struktur terhadap proses oksidasi dan sifat fisis dari penambahan nitrogen terhadap bahan yang di Coating Yttrium.
DAFTAR PUSTAKA
1. H HERMAN, Modification of the Surface Mechanical Properties of Ferrous Alloys by Nitrogen Ion Implantation, Ion Implantation into Metal Procceding of the 3rd International Con ference Modification of Surface Proporties of Metals, ( 23 – 26 Juni 1981).
2. E. B. HALE, et. al, Effects Of Nitrogen Ion Implantation On The Wear Properties of Steel, Ion Implantation into Metods Procceding of the 3rd International Conference Modification of Surface Proporties of Metals (23–26 Juni 1981). 3. S. G ROBERTS ET AL, The Effects of N+2 Ion
Implatation on the Hardnes and Wear Behavior of Brittele Materials, Ion Implatation into Metals Procceding of the 3rd International Conference Modification of Surface Proporties of Metals (23 –26 Juni 1981).
4. F. S PETTIT et al., Oxidation – Corrosion – Erosion Mechanisme of Environmental Degra-dation of High Temperature Materials, Coating of High Temperature Aplications, Applied Science Publisher.
5. M. MUNAWIR, Z UNTORO P., Penambahan Elemen Reaktif Untuk Peningkatan Ketahanan Korosi Temperatur Tinggi Bahan Rekayasa, Proseding Seminar Sains dan Teknologi Nuklir PPTN Bandung. (18-19 Maret 1998).
6. M. MUNAWIR, CIPTO S, P.UNTORO, Pengaruh Dosis Ion Implantasi Yttrium Terahadap Struktur Bahan SS 316 L Pada Energi Ion 80 KeV & 100 KeV, Proseding . Seminar Nasional Material dan Lingkungan Dalam Industri (Bandung 19 Oktober 1998 )
7. M.MUNAWIR, Z. CIPTO S, P.UNTORO, Optimasi Dosis Implantasi Yttrium Terhadap Kekerasan Bahan Pada Paduan Ni25Cr, Proseding AAPPS Seminar. on Physics of. Materials. (Yogya. 8-10 Desember 1998.)
8. M. MUNAWIR, TJIPTO S, P. UNTORO, S. SIMBOLON, Aplikasi Implantasi Ion Untuk Peningkatan Efek Elemen Reaktif dan Penga-ruhnya Terhadap Kualitas Bahan, (Siptegan Lapan 1997). 9. P. UNTORO, M. MUNAWIR, F. NETSHE, The
Role of Reactive Element Effect in Steels, and Their Microstructure investigation Proseding The 10 tahun Asia Pasific Corrosion Control Conference (Bali, October, 1997).
TANYA JAWAB
Anwar Budianto
− Apa metode yang digunakan dalam menentukan tingkat korosi lapisan oksida tersebut? Apa ada parameter suhu dan waktu?
− Apakah ada modelisasi tingkat korosi suatu bahan terhadap lingkungan (asam, basa, reduktor, oksidator)?
M. Munawir Z.
− Dengan timbangan mikro dalam variasi waktu pada temperatur yang berubah-ubah secara ekstrim.
− Ada model matematis laju korosi berbagai kondisi, namun seperti pada umumnya korosi suatu yang kejadiannya sulit dipastikan, maka model matematis tersebut hanya pendekatan.
Lely Susita R.M.
− Mengapa nitrogen menaikkan laju korosi, sementara dari beberapa acuan, juga yang pernah kami teliti, nitrogen justru meningkatkan kekerasan baja SS 316 L maupun SS 304. Dan diketahui pula bahwa semakin keras bahan tentunya. Mohon penjelasan.
M. Munawir Z.
− Memang benar tambahan nitrogen bisa menaikkan ketahanan aus dan kekerasan. Namun pada temperatur tinggi nitrogen sangat agresif terhadap oksigen dalam berbagai bentuk senyawa N-O (NO2,
NO3, N2O5, N2O, dst) ini mempercepat laju korosi
terkecuali bila difusi oksigen bisa terhambat melalui oksid putih.
Trimardji Atmono
− Tadi dijelaskan bahwa tujuan polishing adalah agar ba gus/mengkilap. Apakah hanya ini tujuannya atau ada tujuan yang lebih penting?
− Yttrium termasuk golongan logam tanah jarang yang harganya tidak murah. Mengapa tidak menggunakan bahan lain (untuk coating) yang lebih murah ditinjau dari segi ekonomis.
M. Munawir Z.
− Tujuannya menyempurnakan proses treatmen.
− Proses penambahan unsur harus selalu dikaitkan tujuannya. Yttrium atau elemen reaktif lain sangat cocok untuk penanganan korosi temperatur tinggi. Belum dicoba bahan lain.
Yunanto
− Pada kondisi tertentu dapat menaikkan stabilitas lapisan kerak. Kondisi ini berapa dosis dan tenaga io n.
− Apa pada kondisi ini terjadi senyawa antara Yttrium dan nitrogen.
− Kondisi terbaik setelah di coating adalah dosis 1 × 1017 ion/cm2 - 5 × 1017 ion/cm2. Namun tanpa coating Yttrium semua kondisi kurang baik.
− Terus terang bentuk senyawa korosinya belum kami teliti, mohon maaf belum bisa dijawab.
