PENGERASAN PERMUKAAN BEARING DENGAN TEKNIK PLASMA NITRIDING

Dwi Priyantoro dkk 511 Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN

PENGERASAN PERMUKAAN BEARING DENGAN

TEKNIK PLASMA NITRIDING

Dwi Priyantoro*, Tjipto Sujitno**, Retno Ayu Utami*

*) STTN-BATAN, Jalan Babarsari kotak Pos 6101 YKBB 55281

**) PTAPB Batan,

Jalan Babarsari kotak Pos 6101 YKBB 55281

*) Jurusan Teknofisika Nuklir, STTN-BATAN Jalan Babarsari kotak Pos 6101 YKBB 55281

ABSTRAK

PENGERASAN PERMUKAAN BEARING DENGANTEKNIK PLASMA NITRIDING.Telah dilakukan proses pengerasan permukaan bearing dengan teknik plasma nitriding.Bearing sebagai penyangga poros harus memiliki sifat keras dan ulet. Kekerasan permukaan dapat ditingkatkan dengan teknik plasma nitriding.Nitridasi dilakukan di dalam ruang,berisi campuran gas N2 dan H2. dengan tekanan 1,4mbar, temperatur 300 0C, selama 3 jam. Campuran gas N2 dan H2 divariasi dengan perbandingan 50 : 50; 60 : 40; 70 : 30; 80 : 20; 90 : 10; dan 100 : 0.Hasil dari plasma nitriding menunjukkan bahwa kekerasan permukaan bearing mula-mula 197 VHN dan setelah plasma nitriding kekerasan permukaan meningkat. Pada campuran gas 90 % N2 dan 10 % H2, kekerasan permukaan mencapai harga maksimum, yaitu 290 VHN, atau naik 47,2 %.

Kata kunci : bearing, plasma nitriding, kekerasan permukaan.

ABSTRACT

BEARING SURFACE HARDENING BY PLASMA NITRIDING TECHNIQUE.Bearing surface hardening process with plasma nitriding technique has been done. Bearing as a buffer shaft should have a hard and tenacious nature. Bearing surface hardness can be improved by plasma nitriding technique. Nitriding carried out in deep space, containing a mixture of N2 and H2 gases, with a pressure of 1.4 mbar, temperature 300 0C, for 3 hours. N2 and H2 gas mixture varied with the ratio 50 : 50 ; 60 : 40 ; 70 : 30 ; 80 : 20 ; 90 : 10 ; and 100: 0.The results of plasma nitriding showed that surface hardness of the bearing initially amounted to 197 VHN and after plasma nitriding surface hardness of the bearing on the increase. In a gas mixture of 90% N2 and 10% H2, surface hardness increases and reaches a maximum value, which is 290 VHN, up 47.2%.

Key words : bearing, plasma nitriding, surface hardness.

1. PENDAHULUAN

Padabidang otomotif khususnya komponen permesinan, seperti poros, roda gigi, dan bearing dibutuhkan sifat-sifat tertentu, seperti misalnya sifat keras, tahan aus, tahan korosi, ulet, dan tangguh[1].Salah satu contoh komponen mesin yang membutuhkan sifat-sifat tersebut adalah bearing atau laker.Bearing terdiri atas tiga bagian yaitu cincin bagian luar, ball bearing atau gotri, dan cincin bagian dalam. Cincin bearing bagian dalam, di samping harus mampu menahan keausan, juga harus mampu menahan gaya-gaya dinamis.

Kedua sifat tersebut pada dasarnya saling berlawanan. Ketahanan aus berbanding lurus dengan kekerasan, jika kekerasan dan kekuatan meningkat maka keuletan dan ketangguhan akan menurun. Untuk memenuhi kebutuhan tersebut maka kondisi material dipersiapkan sedemikian rupa sehingga di bagian luar bersifat keras, sedang di bagian dalam tetap ulet.

Untuk mendapatkan bahan dengan kekerasan yang tinggidan tetap ulet dapat dilakukan dengan memodifikasi bahan tersebut. Salah satu cara modifikasi untuk mendapatkan kekerasan yang tinggi adalah nitridasi.Proses nitridasi dilakukan dengan memanfaatkan plasma nitrogen dalam

Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN 512 Dwi Priyantoro dkk lucutan pijar DC sehingga proses ini dapat disebut

plasma nitriding.

Dalam penelitian ini akan dilakukan plasma nitriding terhadappermukaancincin bearing bagian dalam. Dalam nitridasi ini digunakan gas nitrogen dicampur dengan gas hidrogen dalam berbagai perbandingan konsentrasi. Selanjutnya akan dicari komposisi campuran yang memberikan efek kekerasan permukaan yang tertinggi, kemudian dilihat struktur mikrodari benda kerja yang paling keras.

Dengan pengerasan permukaan, material menjadi lebih tahan terhadap keausan sedangkan kekuatan bahan secara keseluruhan tetap tinggi sehingga umur pakai komponen akan meningkat. Berikut akan diuraikan baja karbon,bearing, danplasma nitriding.

Baja karbon

Baja karbon[2] adalah paduan antara besi (Fe) sebagai logam pokok dan karbon (C) sebagai unsur tambahan. Baja karbon berisi kandungan karbon yang bervariasi sampai dengan 2%. Baja karbon dapat digolongkan menjadi tiga jenis, yaitu baja karbon rendah, baja karbon sedang, dan baja karbon tinggi.

Baja karbon rendah (low carbon steel)

Baja karbon rendah adalah baja dengan kandungan karbon kurang dari 0,2%. Baja karbon rendah memiliki sifat lunak tetapi ulet, dan sangat ekonomis. Struktur mikronya terdiri dari ferlit dan pearlit. Baja karbon rendah biasanya digunakan untuk rangka mobil, baja struktur, dan pipa saluran. Baja karbon rendah dikelompokkan menjadi dua, yaitu :

a) Baja karbon rendah dengan kandungan karbon kurang dari 0,1%. Baja jenis ini sering digunakan dalam pekerjaan konstruksi dingin dengan proses deformasi dingin seperti pembengkokan.

b) Baja karbon rendah dengan kandungan karbon antara 0,1% - 0,2%. Baja jenis ini mempunyai nilai kekuatan dan ketangguhan yang tinggi. Permukaan baja jenis ini sangat cocok untuk dikeraskan dengan metode nitridasi.

Baja karbon sedang (medium carbon steel)

Baja karbon sedang adalah baja dengan kandungan karbon antara 0,2 - 0,65%. Baja ini mempunyai respon terhadap perlakuan panas yang lebih baik dari pada baja karbon rendah, oleh karena itu baja jenis ini selalu diproses dalam kondisi panas, misalnya dalam proses pengerasan (hardening). Baja karbon tinggi (high carbon steel)

Baja karbon tinggi adalah baja dengan kandungan karbon antara 0,65 - 1,5%. Adanya karbon yang banyak, menjadikan baja ini lebih tahan korosi dari pada baja karbon rendah. Kandungan

karbon yang semakin tinggi akan meningkatkan kekerasan tetapi menjadi rapuh dan getas. Oleh karena itu baja jenis ini yang memiliki kandungan karbon 1,3% jarang digunakan dalam industri.

Bearing

Bearing[1, 3]atau biasa disebut laker adalah salah satu elemen mesin yang banyak digunakan. Bearing terdiri atas tiga bagian utama yaitu cincin bagian luar, cincin bagin dalam, dan ball bearing atau sering disebut bola peluru (gotri). Bearing berfungsi untuk menumpu beban, sehingga diperlukan material yang ulet (tidak mudah pecah) dan memiliki permukaan yang keras (tidak aus). Bearing terbuat dari baja karbon rendah, sehingga salah satu proses pengerasan yang cocok adalah dengan cara plasma nitriding. Dalam penelitian ini permukaan cincin bearing akan dikeraskan dengan cara plasma nitriding. Nilai kekerasan permukaan cincin bearing setelah dilakukan proses plasma nitriding akan meningkat tanpa kehilangan sifat ulet pada bahan tersebut.

Plasma Nitriding

Plasma nitriding adalah prosespembentukan senyawa nitride (nitridasi) dengan menggunakan nitrogen berbentuk plasma. Plasma nitrogen dapat diperoleh dengan mengalirkan gas nitrogen (N2)

dalam ruang di antara dua plat elektroda (anoda dan katoda) yang diberi beda potensial yang tinggi. Beda potensial yang tinggi ini akan menimbulkan lucutan pijar dari nitrogen yang berupa plasma nitrogen. Mesin plasma nitriding[2] tertera pada Gambar 1.

Gambar 1. Skema mesin Plasma Nitriding

Plasma nitriding pada permukaan baja adalah proses penambahan atom nitrogen pada permukaan baja. Benda kerja atau substrat yang akan dinitridasi dipasang pada katoda. Pada permukaan baja akan terbentuk lapisan nitrida yang bersifat keras. Jenis baja yang dimaksud adalah baja karbon rendah. Proses ini dilakukan pada ruang bertekanan rendah sekitar 0,2 mbar – 8 mbar dan temperatur 400°C sampai 600°C selama beberapa jam (1-100 jam). Kekerasan permukaan yang dihasilkan tergantung dari jumlah atom nitrogenyang masuk pada permukaan baja.Kandungan nitrogen

Dwi Priyantoro dkk 513 Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN setelah proses plasma nitriding dapat meningkat 0,7

% sampai 0,9 %. Parameter utama dalam proses ini meliputitemperatur, konsentrasi nitrogen, dan lamanya proses.

Pengaruh Hidrogen

Pada proses plasma nitriding, dengan penambahan gas H2 dalam jumlah yang besar[4],

dapat menyebabkan lapisan nitride yang terbentuk tidak homogen, akibatnya permukaan tidak begitu keras. Dalam keadaan lain, bila sedikit H2

ditambahkan pada proses plasma nitriding, karena hidrogen memiliki sifat reduktor, maka dapat menjadi pembersih[5] permukaan bahan substrat, akibatnya lapisan nitrida yang terbentuk, sangat rapat dan homogen. Dalam penelitian ini akan dicari rasio komposisi campuran N2 terhadap H2 yang

memberikan nilai kekerasan permukaan yang tertinggi.

Stuktur Mikro

Permukaan material memiliki struktur mikro tertentu sesuai dengan kekerasannya dan dapat diamati dengan mikroskop electron. Permukaan yang lebih keras memiliki susunan butiran yang lebih rapat. Ketebalan lapisan nitrida dapat diamati dari potongan melintang benda kerja.

Ketebalan difusi dapat dihitung dari persamaan :

( ) ₍₁₎

dengan x adalah kedalaman difusi (mm), D adalah koefisien difusi (m2s-1), dan t adalah waktu nitridasi. Koefisien difusi D dapat dihitung dari persamaan

( ) ₍₂₎

dengan D0 adalah koefisien difusi awal, Q adalah

energy aktivasi (J/mol), R adalah tetapan gas umum (8,314 J mol-1 K-1), dan T adalah temperature (K). Nilai D0 adalah kofisien difusi awal, Q untuk

beberapa jenis atom, tertera pada Tabel 1.

Tabel 1. Nilai koefisien difusi awal (D0) dan energy aktivasi (Q) untukbeberapa jenis atom [6]

No Jenis atom yang larut dan pelarut D0 (×10-4 m2s-1) Q (kJ mol-1) 1 Cu dalam Cu 0,20 196 2 Zn dalam Zn 0,15 94 3 Al dalam Al 1,98 143 4 Fe dalam Fe 118 281 5 Ge dalam Ge 9,3 288 6 Si dalam Si 5400 477 7 W dalam W 43 650 8 H dalam Fe 0,001 13 9 N dalam Fe 0,005 75 10 C dalam Fe 2,2 122 11 C dalam Fe 0,2 142 12 V dalam Fe 3.9 244 13 Mn dalam Fe 4,0 3,05 14 Ni dalam Fe 2,6 295 15 Zn dalam Cu 0,73 170 16 Ni dalam Cu 2,0 230 17 Cu dalam Al 0,25 121 2. METODOLOGI PENELITIAN Tempat Penelitian

Penelitian dilaksanakan di Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan, Badan Tenaga Nuklir Nasional (PTAPB BATAN) Yogyakarta.

Alat penelitian

Alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi :

- mesin Plasma Nitriding, mesin anneling, dan mesin polis milik PTAPB BATAN,

- alat potong baja dan alat uji struktur mikro di laboratorium UNY,

- alat uji kekerasan mikro di laboratorium bahan teknik UGM,

- amplas nomor 100, 600, 1000, 1500, dan 2000 mesh.

Bahan Penelitian : Cincin bearing bagian dalam Langkah-langkah Penelitian

Cincin bearing dipotong menjadi beberapa bagian dengan ukuran , selanjutnya masing-masing disebut benda kerja atau spesimen. Bearing sebelum dipotong tertera pada Gambar 2.Cincin bearing setelah dipotong, tertera pada Gambar 3.

Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN 514 Dwi Priyantoro dkk Gambar 2. Bearing sebelum di potong

Pada benda kerja dilakukan proses annealing untuk menghilangkan tegangan sisa pada saat pembuatan. Selanjutnya benda kerja dipolish menggunakan mesin polish hingga mengkilap.

Benda kerja dicuci dengan alkohol dan siap dimasukkan ke mesin plasma nitriding. Mesin plasma nitriding tertera pada Gambar 4.

Gambar 3. Cincin bearing setelah dipotong

Cara kerja mesin nitridasi ion adalah sebagai berikut :

Langkah awal adalah udara dipompa dari tabung mesin nitridasi hingga mencapai tekanan 1,2 x 10-2 mbar. Vakum yang baik akan menentukan hasil yang lebih bersih dari kontaminasi.

Gambar 4. Mesin plasma nitriding milik PTAPBB – BATAN.

Gas nitrogen dialirkan ke dalam tabung. Pada saat gas nitrogen masuk tekanan di dalam tabung akan kembali naik. Dengan mengatur jumlah aliran gas, maka akan didapat tekanan yang diinginkan dalam proses nitridasi.

Selanjutnya mesin plasma nitriding diatur

[3]_{pada tekanan 1,4 mbar, temperatur awal 300} 0_C,

dan waktu nitridasi diset 3 jam.

Pada saat tekanan sudah sesuai yang diinginkan, tegangan catu daya mulai dinaikkan hingga terjadi proses ionisasi, tegangan ini biasanya dicapai pada 500-700 volt. Proses ionisasi diindikasikan dengan adanya nyala pijar dalam tabung,

Ion positif dalam plasma akan tertarik ke katoda dan menyebabkan terdeposisinya ion nitrogen.Nitridasi benda kerja dilakukan dengan variasi perbandingan gas nitrogen terhadap gas hydrogen adalah 50%N2:50%H2, 60%N2:40%H2,

70%N2:30%H2, 80%N2:20%H2, 90%N2:10%H2, dan

100%N2:0%H2.

Pada saat jumlah gas, tegangan anoda dan katoda, dan besar arus telah seimbang, maka temperatur dari benda kerja akan stabil. Besar temperatur dan arus dapat di atur dengan mengatur tegangan antara anoda dan katoda.Besar temperatursubstrat diatur antara 400-5000C.

Dwi Priyantoro dkk 515 Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN Setelah proses nitridasi berlangsung selama

3 jam maka beda potensial antara anoda dan katoda diturunkan pada titik terendah. Hal ini akan mengakibatkan temperatur dari substrat akan menurun. Penurunan suhu dilakukan secara alami di dalam tabung pelucutan dengan tekanan sesuai tekanan proses dan menutup saluran aliran gas nitrogen. Ketika mencapai suhu 40-60°C substrat sudah dapat dikeluarkan dari tabung[1].

Dalam penelitian ini akan dibandingkan kekerasan permukaan cincin bearing sesudah dan sebelum plasma nitriding. Alat uji kekerasan tertera pada Gambar 5.

Gambar 5. Alat uji kekerasan Vickers milik UGM

Struktur mikro permukaan benda kerja yang telah dinitridasi yang memiliki kekerasan maksimum diamati dengan mikroskop electron.

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil pengujian benda kerja berupa data nilai kekerasan permukaan bahan tertera pada Tabel 1.

Tabel 1. Hasil pengujian kekerasan permukaan benda kerja[2] No Benda kerja N2 (%) H2 (%) Kekerasan (VHN) 1 Raw material 0 0 197 2 Specimen 1 50 50 193 3 Specimen 2 60 40 197 4 Specimen 3 70 30 214 5 Specimen 4 80 20 276 6 Specimen 5 90 10 290 7 Specimen 6 100 0 283

Dari data pada Tabel1.nilai kekerasan permukaan bahan yang dinitridasi mengalami peningkatan. Hal ini dapat diketahui dengan membandingkan nilai kekerasan permukaan bahan sebelum dinitridasi (raw material) dan nilai kekerasan permukaan sesudah dinitridasi.

Gambar 6. menunjukkan hubungan antara tingkat kekerasan permukaan benda kerja (VHN) terhadapporsentase perbandingan N2:H2. Nilai

kekerasan permukaan material tertinggi didapat pada campuran gas 90% N2:10% H2 dan terendah pada

Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN 516 Dwi Priyantoro dkk Gambar 6.Pengaruh variasi komposisi N2:H2 terhadap kekerasan permukaan bearing[2].

Dengan melihat nilai kekerasan dari grafik Gambar6, kekerasan maksimum terjadi pada rasio nitrogen dan hidrogen 90:10 yaitu sebesar 290 VHN. Nilai kekerasan tersebut naik sebesar 47,2 % dari nilai kekerasan material awal (raw material) yaitu 197 VHN. Sedangkan untuk nilai kekerasan terendah terdapat pada rasio 50:50 yaitu sebesar 193 VHN.

Dari Gambar 6. dapat dilihat bahwa mula-mula nilai kekerasan berkurang dengan bertambahnya rasio hidrogen. Selanjutnya dengan bertambahnya rasio nitrogen, kekerasan permukaan bertambah. Hal ini disebabkan karenanitrogen terdistribusi lebih merata sehingga kepadatan nucleon menjadi lebih tinggi seperti yang terlihat pada Gambar 7. dengan demikian nilai kekerasan semakin besar dan menghasilkan permukaan yang lebih halus.

Sedangkan untuk rasio nitrogen semakin berkurang, nitrogen tidak terdistribusi secara merata sehingga kepadatan nukleonnya lebih sedikit,sehinga kekerasannya semakin berkurang dan permukaannya lebih kasar, seperti terlihat pada Gambar 8.

Struktur permukaan untuk nitridasi 100% nitrogen (Gambar 9) lebih kasar dari nitridasi 90 % N2 : 10 % H2dan kekerasannya juga lebih rendah.

Hal ini dikarenakan pada kondisi90 % N2 : 10 % H2,

jumlah atom hidrogen dalam porsi yang sedikit(10%), dapat berfungsi sebagai pembersih

untuk menghilangkan lapisan oksida pada permukaan benda kerja, sehingga proses nitridasi dapat berlangsung sempurna dan kekerasannya paling tinggi.

Gambar 7. Foto mikro permukaan cincin bearing yang dinitridasi dengan 90%N2 : 10

H2dengan pembesaran 100 kali.Kondisi ini

memberikan permukaan paling halus dan kekerasan paling tinggi.[2] Kedalamam penetrasi dapat dihitung dengan persamaan (1) dan dapat dilihat dari skala gambar.

Dwi Priyantoro dkk 517 Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN Gambar 8. Foto mikro permukaan bearing

yang dinitridasi 50%N2 : 50% H2

dengan pembesaran 100 kali.Permukaan kasar dan kekerasan paling rendah.[2]

Gambar 9. Foto mikro permukaan bearingyang dinitridasi 100% nitrogen dengan pembesaran 100 kali.Permukaan lebih kasar dan kekerasan lebih rendah dari yang dinitridasi dengan 90 % N2 : 10 %

H2[2]

4. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan

Angka kekerasan permukaan bearing sebelum dinitridasi adalah 197 VHN.

Hasil plasma nitriding terhadap permukaan cincin bearingdengan variasi perbandingan N2dan

H2sebesar 50:50, 60:40, 70:30, 80:20, 90:10, dan

100:0 menunjukkan bahwakekerasan permukaan maksimum dicapai pada rasio N2 : H2sebesar 90 : 10

dengan angka kekerasanVikers = 290 VHN.

Peningkatan kekerasan maksimum sebesar 47,2%.

Saran

Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut tentang proses nitridasi untuk komponen mesin lainnya.

5. Daftar Pustaka

1. Sadono, Teguh, Pengaruh Tekanan dan Waktu Nitridasi Plasma (Ion) Terhadap kekerasan Permukaan Komponen Mesin (Bearing Luncur)”, Tugas Akhir STTN – BATAN : Yogyakarta, 2009.

2. Retno Ayu Utami, 2010, Pengaruh Variasi N2 : H2 pada Nitridasi Cincin Bearing bagian dalam dengan Teknik Plasma Nitriding, STTN – BATAN Yogyakarta.

3. Nurjanah, Siti, 2010, Pengaruh Tekanan dan Waktu Nitridasi terhadap Kekerasan Cincin Luar Bearing yang dinitridasi menggunakan plasma nitriding”, STTN-BATAN,

Yogyakarta.

4. Talib, R.J., dkk., 2007, Effect of N2:H2 Ratio on

Surface Modifications of AISI 316 Plates by Plasma nitriding Process, University of Malaya, Kuala Lumpur-Malaysia.

5. A. Zielinski, J. Cwiek, B. Blaszkiewicz. Effeck of Plasma Nitrided Layers on Low Alloy Steel on Its Hydrogen Degradation. Faculty of Mechanical Engineering, Gdansk University of Technology : Narutowicza 11/12, 80-952 Gdansk, Poland.

6. Bandriyana, Baban, dkk, “Teknologi Nitridasi Plasma untuk Pengerasan Permukaan Bahan Komponen Industri”, Prosiding Seminar Teknologi Akselerator, P3TM-BATAN, Yogyakarata, 2003.

7. Tjipto Sujitno, BA, Aplikasi plasma dan teknologi sputtering untuk surface treatment, Diktat Worshop sputtering untuk rekayasa permukaan bahan, P3TM-BATAN, 2003. 8. Cwiek, J. “ Plasma Nitriding as Prevention

Method Against Hydrogen Degradation of steel ” Gdansk University of Technology , Faculty of Mechanical Engineering.