PENGARUH IMPLANTASI ION CHROM TERHADAP KEKERASAN DAN LAJU KOROSI BAJATAHAN KARAT AISI 316 L DALAM LARUTAN PBS

(1)

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2011 Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 19 Juli 2011

PENGARUH IMPLANTASI ION CHROM TERHADAP

KEKERASAN DAN LAJU KOROSI BAJATAHAN KARAT

AISI 316 L DALAM LARUTAN PBS

Bangun Pribadi, Priyo Tri Iswanto, dan Tjipto Sujitno

Jurusan Teknik Mesin dan Industri, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada Jl. Grafika No. 2 Kampus UGM, Yogyakarta 55281

E-mail: ptapb@batan.go.id

ABSTRAK

PENGARUH IMPLANTASI ION CHROM TERHADAP KEKERASAN DAN LAJU KOROSI BAJA TAHAN KARAT AISI 316 DALAM LARUTAN PBS. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh

implantasi ion khrom terhadap kekerasan dan laju korosi material stainless steel AISI 316 L dalam larutan PBS (Phosphate Buffer Saline). Lapisan khrom diperoleh dengan cara mengimplantasikan ion khrom ke permukaan spesimen. Parameter penelitian meliputi lama implantasi yaitu 3,5; 4,5; 5,5; 6;5 dan 7,5 jam, arus berkas dan energi ion khromium dipertahankan tetap yaitu masing masing sebesar 20 µA untuk arus berkas ion dan 100 keV untuk energi ion. Kekerasan permukaan untuk material dasar maupun yang diimplantasi untuk berbagai dosis ion diuji menggunakan alat uji keras mikro Vickers dengan beban indentasi 10 gram. Uji korosi dalam larutan PBS dilakukan menggunakan alat uji korosi sel tiga elektroda. Dari hasil pengujian diperoleh bahwa kekerasan permukaan awal material AISI 316 L adalah sebesar 133, 15 VHN, sedang kekerasan optimum sebesar 262, 76 VHN atau mengalami peningkatan kekerasan sebesar 97 %. Kondisi optimum tersebut dicapai pada lamanya proses 5,5 jam atau pada dosis ion 4,31 x 1017 ion/cm2. Pada kondisi tersebut laju korosinya menurun dari 137.88 mpy (material dasar) menjadi 98.99 mpy atau terjadi peningkatan sifat ketahanan korosi sebesar 39 %.

Kata kunci: implantasi ion khrom, kekerasan, laju korosi, AISI 316 L, PBS.

ABSTRACT

THE INFLUENCE OF CHROMIUM ION IMPLANTATION ON THE HARDNESS AND CORROSION RATE OF AISI 316 L STAINLESS STEEL IN PBS SOLOTION. The aim of this research is to study the influence of cromium ion implantation on the hardness and corrosion rate of AISI 316L stainless steel in PBS (Phosphate Buffer Saline) solution. Chrom layer can be formed by chromium ion implantation into AISI 316 L stainless steel surfaces. Parameters used in this research are time of implantation such as 3.5, 4.5, 5.5, 6.5, and 7.5 hours, 20 µA of the beam current , and 100 keV of the ions energy. Hardness surface for implanted and unimplanted samples were tested using micro vickers hardness. Corrosion test in PBS solution was carried out using three cell electrodes. The result showes that the surface hardness of raw material is in order of 133, 15 VHN, while the optimum hardness is in order of 262, 76 VHN or there is an increasing of hardness in order of 97 % . This optimum hardness was achieved for 5.5 hours of implantataion time or at 4.31x1017_ion/cm2 _{of ions dose. At this conditions, the corrosion rate decreases}

from from 137.88 mpy to 98.99 mpy or there is a decreasing of corrosion rate in ordert of 39%. Keywords: cromium ion implantation, hardness, corrosion rate, AISI 316 L, PBS.

PENDAHULUAN

aja tahan karat AISI 316 L secara luas digunakan dalam industri kimia, bejana crygonik, penukar panas, permesinan untuk peralatan farmasi, dan peralatan dibidang medik. Baja tipe ini mempunyai ketahanan korosi sangat baik dan mudah dibentuk. Meskipun demikian baja ini masih mempunyai kekurangan yaitu masih rentan terhadap korosi batas butir, korosi rongga, dan mempunyai kekerasan yang relatif rendah serta ketahanan aus yang sangat jelek (1).

Untuk memperbaiki kelemahan tersebut, maka baja tahan karat perlu diberi perlakuan khusus yaitu

tambahan lapisan pada permukaannya. Dengan pelapisan pada permukaan tersebut diharapkan baja tahan karat dapat memiliki sifat-sifat mekanis dan sifat kimia yang lebih baik dari kondisi sebelumnya. Salah satu cara untuk melapisi permukaan adalah dengan cara implantasi ion pada permukaannya. Implantasi ion merupakan teknik physical vapor

deposition (PVD) dimana ion dicangkokkan ke

permukaan logam dengan cara menembakkan ion-ion ke permukaan logam tersebut.

Pada penelitian ini dilakukan implatasi ion krom terhadap permukaan baja tahan karat AISI 316 L. Selanjutnya setelah baja tahan karat selesai diimplantasi dengan ion krom, diharapkan memiliki

B

(2)

kekerasan yang lebih tinggi dan tahan korosi. Pengaruh implantasi ion krom terhadap perubahan kekerasan diuji dengan alat uji keras mikro vickers sedang perubahan ketahanan korosi diuji dengan metode tiga sel elektroda.

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh implantasi ion khrom terhadap perubahan kekerasan dan ketahanaan korosi baja tahan karat AISI 316 L untuk berbagai parameter penelitian lama implantasi yaitu 3.5, 4.5, 5.5, 6.5, dan 7.5 jam pada energi implantasi 100 keV, arus berkas 20 µA dan tekanan 10-6 mbar. Dengan penelitian ini diharapkan dapat diperoleh dosis optimum yang memberikan laju korosi terendah dan kekerasan tertinggi.

LANDASAN TEORI

Tinjauan Pustaka

Pelapisan permukaan baja F1272 dengan chrom dengan teknik physical vapor deposition arc katodik dapat menurunkan laju korosi (Bayon,2008). Implantasi ion chrom dan chrom nitride pada material steel VCL 140 dapat meningkatkan sifat kekerasan dan ketahanan terhadap korosi (Putra,2009). Implantasi ion chrom pada material baja AISI 4140 dapat meningkatkan sifat kekerasan yaitu dari 257 VHN menjadi 389 VHN dan ketahanan terhadap laju korosi yaitu dari 80 mpy menjadi 55,20 mpy (Malau,2010). Material baja tahan karat AISI 316 L setelah dinitridasi dengan gas amoniak (NH3) ketahanan korosi meningkat dari

0,1358 mpy menjadi 0,0082 mpy (Setiawan,2009). Implantasi ion terhadap AISI 316 L telah dilakukan oleh Soebogo (1999), Widanarko (1999), dan Wibowo (2000). Kekerasan AISI 316 L yang diimplantasi dengan ion Yttrium naik dari 326 KHN menjadi 401 KHN (Wibowo, 2000). Ketahanan korosi pada material AISI 316 L yang diimplantasi dengan ion Yttrium naik dari 52x10-4 mpy menjadi 2,6x10-4 mpy (Soebogo,1999), dengan ion Mo naik

dari 5,25 µA/cm2 menjadi 3,73 µA/cm2

(Widanarko,1999), dan dengan ion Yttrium naik dari 3,3048 mpy menjadi 0,0072 mpy (Wibowo,2000). Kekerasan dan ketahanan korosi pada material AISI 316 L yang diimplantasi dengan ion Yttrium, dan molybdenum mengalami kenaikan.

Akselerator Implantasi Ion

Akselator implantasi ion yang ditunjukkan pada Gambar 1 merupakan jenis akselator ion yang khusus didisain untuk mengimplantasi ion-ion dari suatu atom atau molekul ke dalam suatu material, Prinsip kerja implantasi ion adalah pengionan atom-atom dopan dalam sumber ion, pemercepatan ion-ion di dalam tabung pemercepat, selanjutnya memfokuskan dan menembakkan ke permukaan suatu target. Untuk mendapatkan ion dopan yang betul-betul murni maka sebelum ditembakkan ke target berkas ion tersebut terlebih dulu dilewatkan magnit penganalisa, baru

kemudian ditembakkan ke permukaan material sasaran atau target.

Gambar 1. Skema alat implantasi ion

Dalam proses perlakuan permukaan menggunakan teknik implantasi ion, faktor-faktor yang harus diperhatikan untuk mendapatkan hasil yang optimum meliputi energi (E), dosis/intensitas (D), dan jenis ion yang diimplantasikan maupun jenis material sasaran. Energi ion akan menentukan kedalaman penetrasi ion terimplantasi, sedangkan dosis ion akan menentukan konsentrasi/prosentase atom yang terimplantasi dalam material sasaran. Besarnya dosis ion ditentukan oleh nilai arus berkas (µA) maupun lamanya proses implantasi (detik). Besarnya dosis ion dapat dihitung dari persamaan :

D =

eA

berkas

It

(1) dengan D adalah dosis ion (ion/cm2), I =arus berkas ion (ampere), t =lamanya proses implantasi (detik), A =luasan berkas (cm2), dan e =muatan elektron (1.602x10-19 coulomb)

Kekerasan

Kekerasan didefinisikan sebagai ketahanan material terhadap deformasi plastik, yaitu deformasi yang permanen, yang artinya apabila gaya yang diberikan pada suatu permukaan benda dilepas maka deformasi yang terjadi adalah permanen. Kekerasan merupakan salah satu sifat mekanik suatu material.

Pada penelitian ini pengujian kekerasan menggunakan alat uji keras mikro Vickers, beban indentasi yang digunakan sebesar 10 gram. Uji kekerasan Vickers menggunakan penumbuk piramida intan yang dasarnya berbentuk bujur sangkar. Angka kekerasan piramida intan atau angka kekerasan

(3)

Vickers (VHN), didefinisikan sebagai beban terpasang dibagi dengan luas permukaan lekukan. Pada prakteknya, luas ini dihitung dari pengukuran mikroskopik panjang diagonal jejak. Angka kekerasan Vickers dapat ditentukan dari persamaan :

2

854 ,

1 L

P

VHN

=

(

2)

dengan P adalah beban yang diterapkan (kg), dan L

adalah panjang diagonal jejak rata-rata (mm).

Korosi

Korosi merupakan proses perusakan dan degradasi sifat logam akibat berinteraksi dengan lingkungan. Laju korosi bergantung pada suhu, konsentrasi reaktan, jumlah mula-mula partikel (massa) logam, dan faktor mekanik seperti tegangan. Korosi juga dapat dianggap sebagai proses balik dari pemurnian logam atau ekstraksi.

Pengujian korosi dilakukan dengan menggunakan alat uji korosi prinsip tiga sel elektroda dengan larutan PBS. Komposisi larutan PBS tersaji pada Tabel 1.

Perhitungan laju korosi dapat menggunakan

persamaan :

D

EW

i

r

corr

(

)

129 ,

0

.

=

(3) dengan r adalah laju korosi (mpy), icorr= arus korosi (µA/cm2), dan EW = berat equivalen spesimen. Tabel 1. Komposisi larutan PBS dalam setiap liter

NaCl KCl Na2HPO4 KH2PO4

8.0 g 0.2 g 1.44 g 0.24 g

METODE PENELITIAN

Pada penelitian ini menggunakan alat dan bahan 1. Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah

logam baja stinless steel AISI 316 L berbentuk lingkaran dengan diameter 14 mm dan tebal 4 mm. Komposisi kimia baja tahan karat AISI 316 L tersaji pada Tabel 2.

2. Bahan dopan berupa chrom berbentuk serbuk. 3. Media korosif berupa larutan phospat baver

salin (PBS).

4. Pesawat implantasi ion

5. Alat uji korosi jenis potensiostat/galvanostat dengan rentang tegangan -2000 mV s/d 2000 mV dan rentang arus 200 nA s/d 2 A.

6. Alat uji kekerasan jenis viskers

Tabel 2. Komposisi kimia baja tahan karat AISI 316 L.

Fe C Si Mn P S Ni Co Nb

68,9 0,0241 0,287 1,21 0,0050 0,0158 11,2 0.098 0,039

Cr Mo Cu Al Nb V W Pb Ti

16,2 1,33 0,367 0,0139 0,0392 0,0682 0,0250 0.023 0,0174

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil Uji Korosi

Uji korosi dilakukan menggunakan potensiostat/galvanostat PGS 201 T terhadap material uji yang belum diimplantasi maupun yang sudah diimplantasi ion khrom dengan variasi waktu. Media korosif yang digunakan pada pengujian material yang sudah diimplantasi adalah cairan PBS. Informasi yang diperoleh dari hasil uji korosi adalah besarnya rapat arus korosi (icorr) dari tiap material uji. Dari hasil tersebut dapat digunakan untuk menghitung laju korosi dalam mils per year (mpy) dengan persamaan

3

. Hasil perhitungan dibuat grafik seperti tersaji pada Gambar 2.

Dari Gambar 2 terlihat bahwa semakin lama proses implantasi, laju korosi mula-mula menurun sampai titik terendah kemudian naik lagi. Hal ini dapat terjadi karena ion khrom yang terimplantasi pada material target menyebabkan semakin rapatnya susunan atom permukaan material. Susunan yang rapat ini menjadikan kekuatan lapisan pelindung semakin bertambah dan lapisan logam dibawahnya semakin terlindung dari kontak dengan media korosif sehingga laju korosi semakin rendah. Namun apabila

proses implantasi dikerjakan terus maka akan tertumpuk ion-ion chrom di permukaan membentuk lapisan tipis amorphous (13). Permukaan ini tentu saja mudah teroksidasi, sehingga bila proses implantasi diteruskan, maka laju korosi akan naik.

Gambar 2. Hubungan lama implantasi (jam) dengan laju korosi (mpy)

Pada material yang belum diimplantasi jika diuji korosi maka laju korosi lebih tinggi dan setelah diimplantasi selama 5.5 jam laju korosi lebih rendah Apabila diamati struktur mikronya nampak seperti pada Gambar 2a dan 2b.

(4)

Hasil uji kekerasan

Dari Gambar 3, terlihat bahwa pengaruh implantasi ion khrom pada permukaan baja tahan karat AISI 316 L untuk variasi waktu tertentu mampu meningkatkan sifat kekerasan permukaan material target.

Dalam proses implantasi ion khrom, ion-ion khrom dengan energi yang cukup tinggi menumbuk permukaan material target dan menekan atom-atom material target untuk bergeser dari kisinya. Pergeseran atom-atom material target dapat mengakibatkan terbentuknya kekosongan pada tempat yang ditinggalkan atau justru pergerakan atom-atom itu dapat mengisi kekosongan dalam butir.

Gambar 3. Hubungan lama implantasi dan kekerasan

Terbentuknya kekosongan ini memberikan kontribusi yang besar dalam menghambat pergerakan dislokasi, sehingga mengakibatkan kekerasan material tersebut meningkat (11).

Nilai kekerasan tertinggi dicapai pada lama implantasi 5.5 jam (dosis 4.31x1017 ion/cm2) sebesar 262.76 VHN. Di bawah dosis tersebut, yaitu dimulai dari dosis 2.75x1017 ion/cm2 kenaikan angka kekerasan belum begitu besar.

Pada lama proses implantasi rendah, yang terjadi baru pembentukan cacat-cacat yang berupa kekosongan atom-atom target dalam jumlah yang

masih relatif sedikit. Semakin meningkat lama proses implantasi semakin banyak ion-ion khrom yang diberikan dan semakin banyak tumbukan antara ion-ion dopan dengan atom-atom target, mengakibatkan semakin banyak daerah cacat yang terbentuk. Daerah cacat menjadi tumpang tindih (over lap) dan masuk diantara butir, yang hal ini akan memperbesar kontribusi dalam menghambat pergerakan dislokasi, sehingga kekerasannya meningkat dan mencapai puncaknya pada lama proses 5.5 jam (dosis 4.31x1017 ion/cm2) yang merupakan dosis optimal dari ion dopan yang ditembakkan terhadap material target. Di atas lama proses 5.5 jam (dosis 4.31x1017 ion/cm2), angka kekerasannya mengalami penurunan. Hal ini dimungkinkan, daerah cacat yang menjadi tumpang tindih seiring dengan meningkatnya dosis ion akhirnya membentuk lapisan amorf sehingga mengakibatkan kekerasan material menurun.

KESIMPULAN

1. Teknik implantasi ion menggunakan dopan

khromium terbukti mampu meningkatkan

ketahanan korosi dan kekerasan pada material baja tahan karat AISI 316 L.

2. Kondisi optimum untuk meningkatkan kekerasan dicapai pada material uji dengan lama implantasi 5.5 jam pada dosis 4.31 x 1017 ion/cm2 dengan nilai kekerasan Vickers sebesar 262.76 VHN. Pada kondisi ini material uji mengalami kenaikan dari 133.15 VHN menjadi 262.76 VHN atau mengalami kenaikan sebesar 97 %.

3. Kondisi optimum untuk meningkatkan ketahanan korosi dicapai pada material uji dengan lama implantasi 5.5 jam pada dosis 4.31 x 1017 ion/cm2 dengan laju korosi sebesar 137.88 mpy. Pada kondisi ini material uji mengalami penurunan dari 137.88 mpy menjadi 98.99 mpy atau mengalami penurunan sebesar 39%.

Gambar 2a. Foto mikro specimen yang belum di implantasi diuji korosi dalam media PBS

Gambar 2b. Foto mikro specimen yang diimplantasi 5,5 jam diuji korosi dalam media PBS

(5)

DAFTAR PUSTAKA

1. A. TRIWIYANTO, S. MRIDHAU, E.

HARUMAN and M. BIN SUDIN,

Thermochemical Treatments of Austenitic Stainless Steel in Fluidised Bed Furnace for Improved Mechanical and Ribological Properties, IJMME,2009.

2. BAYON, R. , IGARTUA, A. , FERNANDEZ, X. , MARTINEZ, R. , Corrosion wear behavior of PVD Cr/CrN Multilayer Coatings for Gear Applications, Tribology International, Elsevier, 2008.

3. CALLISTER, W.D., 2007, “ Material Science and Engineering an Introduction 7ed”, Wiley 4. LAWRENCE H. VAN VLACK, 2004,

”Elemen-elemen Ilmu dan Rekayasa Material”, Erlangga-Jakarta.

5. MALAU, V. , PUTRA,R., 2010, Karakterisasi sifat korosi dan kekerasan dari lapisan implantasi ion chromium dan chromium nitride pada baja poros AISI 4140, Seminar Nasional Teknik Mesin, Palembang.

6. PUTRA, R., 2009, Pengaruh Implantasi Ion Chromium (Cr) dan Chromium Nitrida (CrN) terhadap kekerasan, Laju Korosi Dan Struktur Mikro pada Machinery Steels VCL

7. SETIAWAN,D., TRIWIKANTORO,

FAISAL,H. WAGIYO, Pengaruh nitridasi terhadap ketahanan korosi SS AISI 316L dalam cairan tubuh tiruan, Seminar nasional pascasarjana IX-ITS, Surabaya.

8. SOEBOGO, D., 1999, Efek implantasi ion Yttrium ketahanan korosi baja tahan karat austenitic 316L.

9. SUJITNO, T., 2003, Diktat pelatihan teknologi akselerator dan aplikasinya, PTAPB-BATAN, Yogyakarta.

10. TRETHEWEY, K. R. &CHAMBERLAIN, J., 1991, “Korosi Untuk Mahasiswa Sains dan Rekayasa” , PT. Gramedia Pustaka Utama, Jakarta

11. VAN VLACK, 1983, “Ilmu dan Teknologi Bahan”, Erlangga-Jakarta.

12. WIBOWO, 1999, Efek implantasi ion Yttrium pada baja 316L terhadap sifat kekerasan dan ketahanan korosi.

13. SHEN, L.R., WANG, K., TIE, J., TONG, H.H., Modification of High-Chromium Cast Iron Alloy

by N and Ti Ion Implantation, Surface & Coating Technology, Elsevier, 2004.

TANYA JAWAB

Tjipto Sujitno

− Bagaimana cara menghitung % Cr yang masuk kedalam bahan?

Bangun Pribadi

• Prosentasi % Cr dapat dihitung secara teori

maupun eksperimen. Secara teori dapat dihitung dengan cara menghitung jumlah atom chromium yang di implantasikan, jumlah atom yang menjadi sasaran pada volume/kedalaman tertentu secara matematik.

•

Sedang secara eksperiment, % chromium dapat dianalisamenggunakan teknik EDS (energy dispersive spectroscopy) yang di kopel dengan SEM (Scanning Electron Microscopy).

Geni

− Bagaimana mekanisme reaksi yang terjadi yang melatarbelakangi adanya nilai optimum kekerasan dan minimum laju korosi dengan deviasi waktu implantasi?

Bangun Pribadi

• Dengan implantasi ion chromium pada

material berarti ion-ion tersebut akan larut padat (substitusi) diantara kisi-kisi atom matrik. Semakin lama proses berarti semakin banyak atom chromium yang terlarut. Kelarutan itu akan mencapai kondisi jenuh, sehingga mekanisme pengerasan yang terjadi adalah pengerasan larut padat jenuh. Pada kondisi jenuh ini kekerasanya mencapai optimum. Bila waktu ditambah, maka tambahan ion-ion chromium akan tertahan dan mengapung dipermukaan, sehingga kekerasanya menurun.