EFEK IMPLANT ASI ION KROMIUM TERHADAP LAJU OKSIDASI P ADA BAHAN BESI DAN BAJA

Proseding Pertemuan don Presentasi l/miah

P3TM-BATAN, Yogyakarta 25 -26 Juti 2000 Buku J 103

EFEK IMPLANT ASI ION KROMIUM

TERHADAP

LAJU

OKSIDASI P ADA BAHAN BESI DAN BAJA

Lely Susita R.M., B.A. Tjipto Sujitno, Agus Santoso, Elin Nuraini PPNY-BATAN. J/. Babarsari Kotak Pas 1008. Yogyakarta 55010

ABSTRAK

EFEK IMPLANTASI ION KROMIUM TERHADAP LAJU OKSIDASI PADA BAHAN BESI DAN BAJA. Pene/itian ini membahas tentang pengaruh imp/antasi ion kromium terhadap ketahanan oksidasi besi (Fe 95.5%) don baja (tipe A/S/ 304). Pengukuran ketahanan oksidasi di/akukan do/am media oksigen kering pada suhu tinggi dengan waktu pengamatan yang bervariasi. Untuk mengetahui ketah~nan oksidasinya di/akukan analisis pengurangan / penambahan berat. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa pada Fe 95.5% yang diimp/antasi dengan ion kromium pada energi 100 keV dan dosis ion 5 x 10/7 ionlcm2 dapat meninkatkan ketahanan oksidasinya hingga 28.68%. Sedangkan pada baja tipe A1S1304 yang te/ah mengandung kromium /9% justru menurunkan ketahanan oksidasinya. Hal tersebut mungkin disebabkan karena pada kandungan kromium yang lebih tinggi don temperatur yang tinggi memungkinkan nuk/easi Cr203 dan memicu pembentukan oksida spinel yang kurang protektif

ABSTRACT

EFFECT OF CHROMIUM ION IMPLANTATION ON THE OXIDATION RATE OF IRON AND STEEL. This research discussed about the effect of chromium ion implantation on the oxidation rate of iron (Fe 95.5%) and steel (AISI304). The measurement of oxidation resistance of the samples was carried out in dry oxygen medium at high temperature conditions and the time of !'bservation was varied. The oxidation resistance can be analyzed by the changing of weight before and after the process. The results showed that for iron materials (Fe 95.5%) implanted chromium ion at energy 100 keV and ion dose 5 x 1017 ionlcm2

increase the oxidation resistance in order of 28.68%. But for AISI304 steel implanted chromium ion at the same conditions, the oxidation resistance decreased. This fenomena is caused by the fact that the content of chromium maybe already exceed the solubility of base material and it will create the posibility of the formation of oxyd spinel which less protective.

tersalut dengan selaput oksida tipis. l.aju difusi menembus selaput ini sangat rendah clan sesudah

pertumbuhan yang cepat dalam periode awal berlalu, laju penebalan akhimya menjadi nolo Dalam hal ini oksidasi berlangsung secara logaritma dengan waktu, x -In t (Fe di bawah 200 °C).

R.ktilWer

Ptnambahan bent

P.,.bolik

\\'.ktu

PENDAHULUAN

K ebanyakan bahan untuk rekayasa pada temperatur lingkungan sehari-hari ada yang sudah teroksidasi sedemikian rupa sehingga lapisan oksidasi melindungi logam di bawahnya. Adapula di udara kering bereaksi begitu lambat sehingga oksidasi tidak mendatangkan masalah. Pacta temperatur tinggi, bagaimanapun juga laju oksidasi

logam-logam meningkat. Jadi jika sebuah kom-ponen rekayasa mengalami kontak langsung dengan lingkungan bertemperatur tinggi untuk waktu yang lama, komponen tersebut mungkin menjadi tidak berguna.

Proses dengan laju paling lambat pada setiap temperatur merupakan laju yang mengendalikan korosi. Pad a umumnya laju korosi akan menurun begitu selaput oksida menebal.

Pertumbuhan selaput oksida bergantung pada temperatur seperti ditunjukkan pacta Gambar 1. Pad a temperatur rendah, permukaan logam akan

!(,hlbn.." bent

Proseding Perlemuan dan Presenlasi /Imiah P3TM-BATAN. Yogyakarla 25 -26 Jul; 2000

Buku I 104

sehingga diharapkan dapat dihasilkan bahan besi dan baja yang lebih tahan terhadap oksidasi.

TATAKERJA

Bahan cuplikan yang digunakan dalam penelitian ini adalah besi (Fe 95,5%) dan baja (tipe AISI 304). Pada tahap awal pembuatan cuplikan dilakukan pemotongan bahan berbentuk lingkaran dengan diameter 15 mm dan ketebalan I mm menggunakan gergaji intan kecepatan rendah. Sebelum diimplantasi terlebih dahulu permukaannya dihaluskan dengan menggunakan kertas amplas dari ukuran 360 mesh hingga 1600 mesh. Kemudian dilanjutkan dengan pemolesan menggunakan pasta intan ukuran I ~m sehingga diperoleh permukaan yang !talus dan mcngkilap. Untuk mcnghilangkan serbuk kertas amplas serta kotoran yang masih melekat, cuplikan dicuci dengan ail: maupun alkohol. kemudian dikeringkan. Sesudah selesai pencucian maka cuplikan siap diimplantasi,

Proses implantasi ion kromium ke dalam cuplikan menggunakan akselerator implantasi ion energi rendah 150 ke V. Selama proses, arus berkas ion kfomium yang dihasilkan oleh sistem sumber ion dibuat tetap sebesar 20 ~A dan tekanan vakum dalam orde 10.5 torr. Dalam pelaksanaan implantasi ion diterapkan energi ion kromium sebesar 100 keY dan dosis ion 5 x 1017 ion/cm2,

pengukuran ketahanan oksidasi dilakukan dalam media oksigen kering pada suhu tinggi dengan waktu pengamatan yang bervariasi, Untuk mengetahui ketahanan oksidasinya dilakukan analisis pengurangan/penambahan berat. Berdasar-kan eksperimen di at as dibuat grafik hubungan an tara waktu pengamatan terhadap pengurangan/ penambahan berat. Dari grafik tersebut diharapkan akan diperoleh kondisi ketahanan oksidasi Fe 95,5% dan baja tipe AISI 304.

Apabila selaput oksida tetap lekat ke per-mukaan dan menjadi penghalang terhadap difusi ion-ion logam atau ion-ion oksida melalui selaput tersebut, laju pertumbuhan oksida berlangsung secara parabolik dengan waktu, x2-t.

Pad a pertumbuhan garis lurus atau rekta-linier, laju oksidasi konstan terhadap waktu, x-to Hal ini terjadi bilamana oksida tidak mampu merintangi masuknya oksigen ke permukaan logam, karena oksida yang terbentuk dari volume logam terlalu kecil untuk menyalut seluruh permukaannya. Tegangan yang besar, baik kompresi maupun tarik mungkin timbul dalam selaput oksida dan menye-babkan efek pengelupasan ketika selaput oksida pelindung retak atau terlepas. Pengelupasan ber-ulang pacta kerak dapat mencegah terjadinya pcrtumbuhan parabolik bcrlcbihan dan oksidasi berlangsung mendekati laju pertumbuhan linier. Tegangan pacta selaput oksida sebanding dengan ratio Pilling- Bedworth, yaitu ratio an tara volume oksida dan volume logam yang membentuk oksida. Ratio volume oksida yang terbentuk terhadap volume logam yang termakan karena memproduksi oksida merupakan faktor penting dalam menentukan laju korosi untuk rentang waktu yang lama. Apabila volume oksida lebih kecil daripada volume logam, oksida akan teregang pacta permukaan logam sehingga selaput oksida berpori dan tidak berfungsi sebagai pelindung. Jika volume oksida lebih besar daripada volume logam asalnya, maka oksida akan sinambung dan berfungsi sebagai pelindung.

Oksidasi logam yang membentuk lapisan oksida mantap dan tidak mudah menguap akan berlangsung disertai penambahan berat yang bergantung pacta waktu. Bila oksida yang terbentuk mudah mengua~ maka hilangnya berat juga sejalan dengan waktu.(1

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pada umumnya ketahanan oksidasi akan meningkat ketika lapisan oksida menebal. Oksidasi logam yang membentuk lapisan oksida mantap dan mudah menguap menyebabkan penambahan berat.

Hasil oksidasi dalam media oksigen kering pada suhu tinggi dengan waktu pengamatan yang bervariasi disajikan dalam Tabel I, 2, 3 dan 4. Sedangkan grafik hubungan antara waktu peng-amatan terhadap pengurangan/penarnbahan berat dari keempat tabel tersebut ditampilkan pada Gambar 2, 3, 4 dan 5.

Menurut hukum Wagner-Hauffe, penambah-an unsur padupenambah-an merupakpenambah-an salah satu tara untuk mengubah laju oksidasi sehingga ketahanan ter-hadap oksidasi meningkat. Unsur paduan dapat ditambahkan karena merupakan pembentuk oksida yang kuat daD cenderung membentuk oksidanya sendiri pacta permukaan logam. Penambahan kromium memberikan hambatan yang baik terhadap oksidasi pacta besi daD baja. lni disebabkan karena kromium memperkaya lapisan paling dalam pacta selaput besi oks ida, bahkan membentuk lapisan kromium oksida tepat di bawah besi oksida. Lapisan-lapisan ini lebih tahan terhadap difusi ion atau elektron daripada lapisan besi oksida saja, sehingga laju oksidasi berkurang.{2)

Untuk menambahkan unsur kromium ke dalam besi daD baja digunakan teknik implantasi ion

Proseding Perlemuan don Presenlasi /lmiah

P3TM-BATAN. Yogyakarla 25 -26 Juli 2000 Buku I ₁₀₅

Tabell. Hasi/ oksidasi untuk berbagai "arias; waktu pada suhu 900 °C Fe 95,5% sebe/um

imp/antasi.

No.

Waktu (jam) Berat A wal (gram) Berat Akhir (gram)

Penambahan Berat (gram)

8

16

24

32

1,3706

1,4443

1,4633

1,5396

0,0120

0,0857

0,1047 0,1810

2

3

,3586

4

0.2

-

'-C)

-

_...,

to

...

~

.c

c

to

J:

(U

.0

E

<U C Q)

Q.

0.15

0.1

0.05

0

40

20

30

10

0

Gambar 2. Grajik hubungan waktu pengamatan terhadap pengurangan/penambahan berat pada Fe 95,5% sebe/um imp/antasi.

Tabcl 2. Hasil aksidasi u,?/uk

berbagai variasi wak/u pada suhu 900 °c Fe 95,5% sesudah

implan/asi.

Bcrat Akhir (gram) Pcnambahan Bcrat(gram) Berat A\val (gram)

No Waktu (jam)

0,0225

0,1473

0,2010

0,2248

1,3139

1,4587

1,5124

1,5362

8

16

24

32

,3114 2

3

4

Lely Susita R.M, dkk.

ISSN 0216-3128

proseding Perlemuan dan Presenlasi //miah P3TM-BATAN. Yogyakarla 25 -26 Ju/i 2000

Buku I 106

-

~ C)

-cu ~ Q)

.c

c

~

.I=.

~

.0

E

f'3 C

~

Q.

0

Waktu (Jam)

Gambar 3. Grafik hubungan waktu pengamatan terhadap

penguranganl

penambahan

berat pada Fe 95,5% sesudah

imp/antasi.

Dari hasil oksidasi baja tipe AISI 304 yang disajikan pacta Tabel 3 dan 4 serta Gambar 4 dan 5 terlihat bahwa pembentukan oksida pacta baja tipe AISI 304 mudah menguap sehingga menyebabkan kehilangan berat yang linier terhadap waktu. Hal terse but disebabkan karena pacta kandungan kromium yang lebih tinggi dan temperatur yang tinggi memungkinkan nukleasi Cr20) dan memicu pembentukan oksida dengan struktur kristal tipe spinel yang kurang protektif:J,2) Pengurangan berat baja tipe AISI 304 sebelum diimplantasi untuk waktu pengamatan 8, 16, 24 dan 32 jam pacta suhu 900 °c sebesar 0,0172, 0,0168, 0,0164 dan 0,0162 gram. Sedangkan sesudah diimplantasi pengurangan berat untuk waktu pengamatan 8, 16, 24 dan 32jam sebesar 0,0311, 0,0217, 0,0209 dan 0,0194 gram.

Dari data hasil,oksidasi Fe 95,5% seperti yang disajikan pada Tabel I dan 2 atau Gambar 2 dan 3, terlihat bahwa penambahan berat pada Fe 95,5% berlangsung secara linier terhadap waktu. Sebelum diimplantasi, penambahan berat pad a suhu

900 °c untuk waktu pengamatan

8 jam sebesar

0,0120 gram. Nilai ini berangsur-angsur naik men-jadi 0,0857 gram pada waktu pengamatan 16 jam

dan 0,1047 gram pada waktu 24 jam serta 0,1810 gram pacta waktu 32 jam.

Demikian halnya sesudah diimplantasi, pe-nambahan berat pada Fe 95,5% semakin besar jika waktu pengamatan semakin ditambah. Untuk waktu

pengamatan 8, 16,24 dan 32 jam penambahan

berat pada suhu 900 °c naik menjadi 0,0225, 0,1473, 0,2010 dan 0,2248 gram. Ini berarti bahwa efek implantasi ion kromium dapat meningkatkan ketahanan oksidasi pada Fe 95,5%.

Tabel 3. Hasi/ oksidasi un/uk berbagai variasi wak/u pada suhu 900 °C baja /ipe AISI 304

Proseding PerlemUan don Presenlasi Ilmiah

P3TM-BATAN, Yogyakarta 25 -26 Ju/i 2000 Buku I ₁₀₇

0.0174

-

""

.9 0.0172

!

~ 0.017 .a

c 0.0168

(0

g' 0.0166

tU

...

= 0.0164

01 c

4J 0.0162

n.

0.016

20

30

0

10

40

Waktu Oam)

Gambar 4. Grafik hubungan waktu pengamatan terhadap penguranganl

penambahan

berat pada baja tipe A/S/ 304 sebe/um

imp/antasi.

Tabel 4. Hasil oksidasi untuk berbagai variasi waktu pada suhu 900 °C baja tipe AfSf 304

sesudah

imp/antasi.

No.

Waktu (jam) Berat Awal (gram)

Berat Akhir (gram)

Penambahan Berat (grl\m)

1,3635

1,3729

1,3736

1,3752

0,0311

0,0217

0,0210

0,0194

8

16

24

32

2

3

4

,3946

0

40

20

30

0

10

Waktu (jam)

Gambar 5. Graftk hubungan wak/u pengama/an /erhadap pengurangan/ penambahan bera/ pada bola /ipe AlSl 304 sesudah implan/asi.

Lely Susita R.M, dkk. [SSN 02[6 -3128 C)

-0.03

...

~ 0.025

.Q c 0.02 ~

g' 0.015

~

~

0.01

Ct

~ 0.005

n.

ProsedingPer/emuan dan Presen/asi I/miah P3TM-BATAN. Yogyakar/a 25 -26 Jut; 2000

108 Buku I

KESIMPULAN

TANYAJAWAB

Fathurrachman

-Mohon dijelaskan peran teknologi implantasi Cr ini dibidang manufaktur daD manfaatnya. Apakah hal ini dapat diterapkan dalam produksi baja?

Lely Susita RM

-Peron teknologi implantasi kromillm yang dibahas dalam penelitian ini yailu dapat dihasilkan bahan besi yang lebih tahan lerhadap ok$idasi. sehingga dapat dimanjaatkan sebagai bahan tahan oksidasi diberbagai bidang. termasuk instalasi perlakuan panas. Man/aat lainnya dari paduan besilkromillm yang mengandung 12% kromium merupakan bahan yang baik untuk slldu-sudu pada turbin.

sedangkan yang mengandung 30% kromium

digunakan dalam industri kimia don tanur. Dipihak lain. penambahan kromium juga memberikan hambatan yang baik terhadap ,vertzlf'lbullan oksidasi pada baja dan juga

beberapa jenis paduan lain. Karena kromium memperkaya lapisan paling dalam pada se/aput besi oksida, bahkan me/l1bentllk lapisah kromium oksida (Cr203) tepal di bawah besi oksida (Fe203). Akan tetapi kemungkinan /lukleasi Cr203 akan terjadi pada kadar kronlium yang tinggi dan temperatur yang tinggi. Perlakuan panas yang mengllrangi kadar kromizlm pada permukaan akan memicu pembentllkan oksida spinel. Oksida ini kllrang protektif dibanding jika oksida yang terbentuk dari kromizlm. Oari analisa data hasil oksidasi dalam media

oksigen kering pacta suhu tinggi dengan waktu pengamatan yang bervariasi dapat disimpulkan bahwa

I. Pad a umumnya ketahanan oksidasi akan me-ningkat ketika lapisan oksida menebal. Oksidasi logam yang membentuk lapisan oksida mantap dan tidak mudah menguap menyebabkan penambahan berat. Penambahan berat pad a Fe 95,5% berlangsung secara linier terhadap wak-tu. Sebelum dan sesudah dilakukan implantasi ion kromium, penambahan berat Fe 95,5% untuk waktu pengamatan 32 jam pada suhu 900 °c masing-masing adalah 0,1810 gram (13,32 %) dan 0,2248gram (17,14%). Ini berartj efek implantasi ion kromium dapat meningkatkan ketahanan oksidasi pacta Fe 95,5%.

2. Pembentukan oksida pacta baja tipe AISI 304 mudah menguap sehingga menyebabkan ke-hilangan berat yang linier terhadap waktu. Hal tersebut disebabkan karena pada kandungan kromium yang lebih tinggi dan temperatur yang tinggi memungkinkan nukleasi Cr20) dan memicu pembentukan oksida dengan struktur kristal tipe spinel yang kurang protektif. Pengurangan berat baja tipe AISI 304 sebelum dan sesudah diimplantasi untuk waktu peng-amatan 32 jam pacta suhu 900 °c adalah 0,0162 gram (1,17%) dan 0,0194 gram (1,39%).

UCAP AN TERIMA KASIH

Pacta kesernpatan ini penulis rnengucapkan terirna kasih kepada Bapak AI. Sunarto, Bapak Mujiyono dan Bapak Surnarmo yang telah rnernbantu dalam pelaksanaan eksperirnen. Mudah-rnudahan budi baik tersebut rnendapat balasan dari

Allah s. W .t. Arnien. Kamsul Abraha

-Dalam tiap penanganan dengan implantasi, menarik kalau ketahanan terhadap oksidasi dikaitkan dengan info mengenai "depth profile" misalnya, karena proses oksidasi adalah terkait langsung dengan "charge distribution".

DAFTARPUSTAKA

Lely Susita RM.

-Sarannya dapat dipertimbangkan. Pada

pene-/itian sebe/umnya

pernah di/akukan ana/isis

distribusi konsentrasi unsur sebagai lungsi

ked

a/am

an penetrasi imp/antasi ion pada bahan

baja. Untuk mengana/isis

distribusi konsentrasi

ion yang terimp/antasi digunakan mikroskop

e/ektron

yang dikope/ dengan alaI ana/isis unsur

(be/um tersedia

pada insta/asi P3TM).

1. TRETHEWEY, K.R., CHAMBERLAIN, J.,

"Corrosion for Students of Science and

Engineering", Longman Group, U.K. Limited

(1988).

2. SMALLMAN, R.E., "Modern Physical

Metal-lurgy", Butterworth & Co Ltd. (1985).

3. GALERIE, A., "Modern Physical Metallurgy",

Butterworth & Co Ltd. (1985).

4. FONTANA, M.G., GREENE, N.D.,

"Corro-sion Engineering", Mc. Graw Hill, New York

(1978).

ISSN 0216-3128