PENGUJIAN AW AL PERANGKAT NITRIDASI PLASMA UNTUK BERBAGAI VARIASI JARAK ANODE-KATODE
Sukidi, Saminto, Uutuug Margono, Sugeng Riyanto
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATANptapb@batan.go.id
ABSTRAK
PENGUJIAN AWAL PERANGKAT NITRIDASI PLASMA UNTUK BERBAGAI VARIASI JARAK ANODE KA TODE. Telah dilakukan pengujian awal perangkat nitridasi plasma dengan berbagai variasi jarak anode-katode. Beberapa variasi jarak yang telah dilakukan adalah
4
em,10
em,12
em, dan18
em. Hasil uji awal diperoleh beberapa data kinerja dari perangkat nitridasi plasma. Variasi jarak anode katode ini penting dilakukan, untuk mengetahui karakteristik kinerja dari perangkat nitridasi plasma. Karakteristik kinerja dari ~erangkat nitridasi plasma menurut teori suhu nitridasi plasma antara 500 - 530 C. Uji fungsi awal ini dimulai dengan memberikan beda tegangan antara anode-katode sampai diperoleh plasma dalam bejana. Untuk mengetahui di dalam bejana terjadi plasma dapat dilihat dari dinding bejana yang diberi cendela pengintai. Selanjutnya untuk mengoptimalkan plasma yang terjadi, gas yang dimasukkan ke ruang bejana diatur menggunakan valve sedemikian rupa sehingga diperoleh arus yang optimal. Oari uji variasi jarak anode katode, diperoleh data mulai terjadi plasma pada tegangan antara 350 sampai 365 volt, dan keluarnya arus plasma ditandai timbulnya warna keungu-unguan antara elektrode anode katode. Pada uji awal ini arus optimum yang dapat diukur 3,4 Amper pada tegangan 600 volt dan tekanan ruang plasma 5,3x10-1 mbar. Pada posisi arus optimum tersebut proses nitridasi berlangsung selama hampir2
jam, suhu nitridasi yang terukur mencapai513°C.
ABSTRACT
INITIAL TESTING OF NITRIDING PLASMA DEVICE FOR VARIOUS OF ANODE- CA THODE DISTANCE. An experiment has been conducted related to initial testing of nitriding plasma device with distance variation of anode-cathode. The distance variation used are various from
4
em,10
em,12
em, and18
em. Using different distance variation of anode-cathode, has been gathereda
very importantperformance information from the nitriding plasma device. Experiment of distance variation is important because we want to know the working characteristic from the nitriding plasma device. According to the theory, the working temperature for this device is between 500 - 530°C. Initial test for the nitriding plasma device is done by giving
a
different voltage between the anode and cathode until there isa
plasma in the plasma vessel. To make sure that plasma is already formed in the vessel, it can be seen from the peeking window. Next step is optimizing the plasma with the gas injected into the vessel so that the current will havea
maximum velocity. From this variation the plasma is begin to form in the vessel with voltage between355
volt up to 365 volt. This activities is marked with the creation of current of plasma and the anode -cathode changing colour in to purple. In this initial experiment the maximum current that can be measured is3,4
ampere of current with 600 volt of voltage and vessel pressure at 5,3X 10-1mbar. In the maximum current position the nitriding process until 2 hours and the nitridation temperature reachs up to513°C.
PRO SIDING SEMINAR
PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses BahanYogyakarta, 11 September 2013
©>
batan
PENDAHULUAN
untuk penyempurnaan konstruksi dan sistem perangkat nitridasi plasma.
,tire
c
••
DASAR TEORI
•.••• iii
",,,-",Ic P.n.,,,( )f1L'••.••.
r.
...
TAT A KERJA
Pemasangan anode dan katode masing- masing dihubungkan denganfeedthrough. Sehingga antara anode dengan dinding bejana terisolasi begitu juga antara katode dengan base plate juga terisolasi. Isolasi an tara anode dengan dinding bejana dan katode dengan base plate menggunakan bahan isolator alumina. Dengan demikian elektrode
Gambar 1: Diagram Fe - N
Pada proses nitridasi plasma besar tegangan minimum untuk membangkitkan terjadinya plasma adalah mengikuti persamaan Paschens[5].
V _ A.p.d
E In(p.d)+B
Sehingga besar tegangan minimum plasma dapat dihitung berdasarkan persamaan Pasch ens terse but. Dengan VEadalah tegangan plasma (volt), A,B adalah suatu kostanta, p adalah tekanan di dalam bejana (atm), dan djarak anode katode (em)
Nitridasi adalah suatu proses penambahan unsur nitrogen pada permukaan logam sehingga didapatkan senyawa baru (FeN)[3.4J. Proses nitridasi secara konvensional menggunakan gas amonia (NH3) pada suhu 490°C - 530°C amonia akan berdisosiasi pada suhu ini dengan reaksi.
2NH3
+
2Fe ~2NFe+3H2Proses nitridasi pada umumnya untuk maksud pengerasan baja karbon medium dan baja paduan yang mengandung unsur-unsur AI, Cr, Mo, dan unsur lain yang memungkinkan bereaksi dengan unsur nitrogen, sehingga terbentuk senyawa baru FeN, MaN, CrN. Pada Gambar 1 diperlihatkan diagram fasa Fe-N sebagai penuntun untuk menentukan jenis-jenis fasa yang ingin dituju yang sebanding dengan prosentase nitrogen yang dimasukkan.
Pada
materialdasarnya kebutuhanlogam denganindustri maju terhadapkualitas yang baik sangat dibutuhkan. Penggunaan logam berkualitas tinggi tentu saja akan menaikkan harga jual suatu produk. Untuk meningkatkan sifat-sifat mekanik suatu material (Iogam) dapat dilakukan dengan proses tertentu agar dapat mengubah struktur logam tersebur[I,21• Atas dasar dan pertimbangan tersebut para perancang berusaha dan berupaya menggunakan bahan dasar berkualitas sedang (harga lebih murah) tetapi dengan perlakuan khusus pada permukaannya (surface treatment). Dengan proses ini hanya membuat permukaan saja yang menjadi keras, manun di bagian dalam dari material tetap sarna dengan material awal. sehingga sangat baik untuk komponen mesin-mesin industri. Baja merupakan jenis logam yang paling banyak digunakan dalam kehidupan, terutama untuk mesin- mesin industri dan mesin-mesin perkakas. Baja mempunyai nilai ketahanan aus, gesek yang kurang bagus sehingga dengan adanya proses perlakuan pennukaan diharapkan dapat meningkatkan sifat- sifat mekanik dari baja terseburl3.4l. Banyak cara untuk memperbaiki sifat mekanik baja, seperti dengan cara konvensional yaitu dengan cara karburasi, nitridasi, karbonnitridasi, induksi listrik dll. Ada juga cara modern untuk memperbaiki sifat- sifat mekanik terhadap material diantaranya adalah dengan implantasi ion, nitridasi plasma dll. Didalam makalah ini yang dibahas adalah konstruksi yang berkaitan dengan variasi jarak antara anode dan katode dikaitkan dengan variasi tegangan tinggi, tekanan dalam ruang nitridasi. Variasl tegangan dapat diatur dari output/input tegangan trafo, sedang variasi tekanan dapat diatur melalui valve masuknya gas ke ruang proses nitridasi. Dalam proses nitridasi variasi jarak elektrode, variasi tekanan, variasi tegangan sangat dominan dan saling mempengaruhi terhadap besar arus plasma.Beberapa variasi tersebut diharapkan dapat diperoleh arus yang optimum, sehingga dengan didapatkan arus optimum, akan diperoleh kenaikan suhu di dalam ruang nitridasi. Pencapaian arus optimal akan mempercepat pencapaian suhu nitridasi (500°C - 530°C). Pada uji awal kali ini data yang diperoleh suhu nitridasi mencapai 513°C.
untuk mencapai suhu tersebut dibutuhkan waktu sekitar I -2jam dengan arus plasma antara 2 - 3,4 amper, pad a te~angan 600 volt, dan tekanan ruang plasma 5.3 x 10' mbar. Untuk mencapai suhu 530°C masih perlu penyempurnaan konstruksi. Disamping itu juga harus memperbanyak uji, sehingga dengan memperbanyak uji akan didapatkan beberapa pengalaman yang berkaitan dengan operasi nitridasi plasma. Dari pengalaman akan didapatkan pelajaran
Buku II hal. 434 ISSN 1410 - 8178 Sukidi, dkk
anode katode mengambang terhadap body/kerangka dan dinding bejana. Proses terjadinya plasma diperoleh dari beda tegangan antara elektrode anode dan katode. Untuk uji awal jarak elektrode anode katode dilakukan variasi dengan mengganti-ganti isolator penyangga katode. Pada Gambar 2 ditunjukkan konstruksi elektrode anode katode dan isolator penyangga katode. Elektrode katode dihubungkan dengan sumber daya tegangan melalui feedthrough, disamping itu katode ini juga sebagai tempat untuk meletakkan material yang akan dinitridasi.
Gambar 2. Elektrode anode-katode
Pada Gambar 3 ditunjukkan perangkat nitridasi plasma yang telah diinstal dengan elektrode anode dan katode denganjarak 18 em dan berturut turut seeara bergantian akan diinstal dengan jarak anode katode 12 em dan 10 em, 4em sebagai variasi jarak anode katode, disamping itu pada jendela pengintai masih menggunakan tutup fleksi glas, agar mudah untuk melihat seeara visual plasma yang terjadi.
Elektrode·anodeC
Elektrodelatode~
Gambar 3. Konstruksi elektrode anode katode Pada Gambar 4 diperlihatkan beberapa ukuran isolator penyangga katode. Dengan
beberapa ukuran isolator penyangga katode tersebut diperoleh variasi jarak antara elektrode anode dan katode. ]arak anode dengan base plate adalah 24 em. Dengan menggunakan ukuran penyangga 6 em maka jarak anode katode 18 em, untuk ukuran penyangga 12 em jarak anode katode 12 em, dan ukuran tinggi penyangga 14 em diperoleh jarak anode katode 10 em, serta menggunakan dua penyangga yang ditumpuk antara 14 em dan 6 em, sehingga diperolehjarak anode katode 4 em.
Keramik :ingg Gem
~er3rriktirggi 14 em
Keramik tinggi 12 em
Gambar 4. Variasi ukuran isolator penyangga katode
HASIL DAN PEMBAHASAN
Konstruksi bejana nitridasi plasma ditunjukkan pad a Gambar 2, dan Gambar 3 dimana elektrode anode-katode dipasang didalam bejana.
Pemasangan anode dan katode masing-masing dihubungkan dengan feedthrough. Sehingga antara anode dengan dinding bejana terisolasi, begitu juga antara katode dengan base plate juga terisolasi.
Isolasi antara anode dengan dinding bejana dan katode dengan base plate menggunakan bahan isolator keramik. Untuk melakukan uji fungsi, mang di dalam bejana hams dikondisikan dalam vakum, dimana vakum awal sebelum dilakukan nitridasi dipersyaratkan minimal pada orde 10-2 mbar. Uji fungsi perangkat nitridasi plasma dilakukan dengan memvariasi jarak an tara anode dan katode. Variasi jarak anode-katode dilakukan pada jarak 4 em, 10 em, 12 em, dan 18 em. Uji fungsi dimaksudkan untuk mengetahui karakteristik pada masing-masing jarak anode katode. Besarnya beda tegangan antara anode katode hingga diperoleh terjadinya plasma tergantung dari jarak antara anode dan katode. Semakin jauh jarak anode dan katode akan dibutuhkan tegangan yang lebih besar. Berdasarkan persamaan Paschens tegangan plasma adalah VE =A.p.d/ln (p.d) +B. dimana VE
adalah tegangan plasma, A,B suatu kostanta, p adalah tekanan dalam bejana dan d adalah jarak elektrode anode katode. Untuk membuktikan hal terse but maka dilakukan dengan penghitungan terlebih dahulu tegangan VEawal terjadinya plasma.
PRO SIDING SEMINAR
PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses BahanYogyakarta, 11 September 2013
©>
batan
Tabel 2. ]arak anode-katode 12 em dan vakum 5xlO-lmbar
Gambar 6d. ditu~ukkan suhu ruang bejana nitridasi plasma yaitu 400 C.
.Gambar 6. Hasil pengukuran saat kondisi uji fungsi Tabel 1. ]arak anode-katode : 18 em dan vakum
5x 1O-1mbar
No Waktu
Tegangan Arus (A) Suhu
(menit)
(volt) (DC)
1
0 293650,15 2
5314000,2 3
15504500,8 4
3082 5001 5
451236001,2 6
601677001,8 7
751967061,8 8
902247061,8 9
1052687061,8 10
1203437061,8
Gb 6b, I Gb 6c. Arus I Gb 6d.
Tekanan Dlasma Suhu Dlasma Gb 6a
Tegangan
No
Waktu(me Tegangan
Arus (A) Suhu
nit)
(volt) (DC)
1
0 293600,1 2
5304500,2 3
15555000,8 4
3082 6001 5
451327001,5 6
601777061,8 7
752167061,8
8
902347061,8
9
1052687061,8 10
1203237061,8
Gambar 5 Perangkat nitridasi plasma Pada Gambar 6. ditampilkan data-data hasil proses nitridasi yang dilakukan dengan mengatur posisi-posisi jarak anode katode. tegangan. dan tekanan. sehingga diperoleh arus dan suhu ruang yang teramati. Pada Gambar 6a ditunjukkan pengukuran posisi tegangan plasma. yaitu pada tegangan 706 Volt, sedang Gambar 6b ditunjukkan posisi tekanan ruang nitridasi pada 5,3x 10.1 mbar, selanjutnya Gambar 6e ditunjukkan hasil pengukuran arus plasma pada 2 Amper, serta Berdasarkan persamaan Pasch ens tersebut jelas bahwa semakin d besar akan dibutuhkan tegangan discharge (VE) yang lebih besar (Tabel I, Tabel 2, TabeI3). Dengan memasang seeara bervariasijarak elektrode anode katode pada perangkat nitridasi plasma, selanjutnya dilakukan uji fungsi. Proses nitridasi dapat dilakukan setelah kevakuman dalam bejana pada orde 10'2 mbar, dengan tingkat kevakuman tersebut proses nitridasi plasma bam bisa dilakukan. Proses nitridasi dimulai dengan memasukkan gas (udara) ke ruang bejana vakum hingga kevakuman turun meneapai orde 10,1 mbar.
Bersamaan dengan itu antara elektrode anode katode diberikan beda tegangan. Sebagai penuntun uji fungsi dalam memberikan beda tegangan antara anode katode berdasarkan persamaan Paschens yaitu tegangan plasma VE•Dalam posisi jarak anode katode 10 em, 12 em, dan 18em. beda tegangan yang dibutuhkan hingga awal terjadi plasma meneapai tegangan antara 350 - 365 volt, dengan di tandai keluarnya arus plasma dan perubahan warna ke ungu-unguan diantara elektrode anode kathode.
Sehingga dalam uji fungsi dan perhitungan tidak terlalu jauh bedanya. Dengan menaikkan tegangan sampai pada tegangan 500 volt plasma yang terjadi semakin stabil, dan arus yang terukur 1.8 Amper.
Tegangan anode katode dinaikkan lagi hingga meneapai 600 volt, kondisi plasma masih stabil dan arus plasma naik menjadi 4,2 Amper.
Pada Gambar 5 di perlihatkan perangkat nitridasi plasma pada saat kondisi beroperasi uji fungsi pada tekanan 5,3x10·1 mbar. tegangan 706 volt dan arus plasma 4,2 Amper serta suhu yang teramati setelah proses nitridasi selama 120 menit sampai dengan 400°C
Buku II hal. 436 ISSN 1410 - 8178 Sukidi, dkk
KESIMPULAN
Gambar 7. Hasil pengukuran saat kondisi uji fungsi
Dari data hasil uji denganjarak elektrode 4 em diperoleh peningkatan suhu dari 400°C - menjadi 513°C. dengan tegangan 725 Volt pada posisi tekanan 1,6 mbar. Dengan suhu yang dicapai ini seeara teori sudah dapat digunakan untuk melakukanproses peningkatan kekerasan (nitridasi plasma) .
Tabel 3. Jarak anode - katode 10 em Vakum 5,3xl0-l mbar
No Waktu
Tegangan Arus (A) Suhu
(menit)
(volt) (DC)
1
0293560,2 2
5304500,2 3
15755000,8 4
3092 6001 5
451237001,5 6
601877061,9 7
751267062
8
902647062 9
105326 7062 10
120400 7062
Gb 7a Tegangan
Gb 7b.
Tekanan Gb 7e. Aruslasma I Suhu DlasmaGb 7d.
Seperti ditunjukkan pad a tabel diatas uji awal proses nitridasi diperoleh arus plasma yang terukur pad a meter arus antara 0,2 A sid 2 Amper.
Pada tegangan 706 volt tekanan 5xlO-1 mbar diperoleh arus maksimal 2 Amper. Sedang pada variasi tegangan meneapai 706 volt, dan tekanan 5,3xl0'lmbar diperoleh arus optimum pada 2 Amper. Proses ini berlangsung selama ± 2 jam, suhu yang terukur 400°C. Selanjutnya dengan merubah jarak elektrode menjadi 4 em dilakukan pengujian seperti sebelumnya dengan kevakuman yang sangat rendah dan bahkan telah masuk pada kevakuman orde 10.0 mbar data hasil uji diperlihatkan pada Tabel 4
Tabel 4. Jarak anode - katode 4 em
No Waktu ArusTeg SuhuVakum (menit)
(volt) (A)
(DC)(mbar)
1
000 294,1.10.2
2
5 0,7480 2,8.10.133 3
20550 791,5 9,8.10.1 4
40550 1321,51,5.
5
60650 2382,51,5.
6
80720 3533,01,6.
7
100725 4121,6.3,2 8
120725 4861,6.3,4 9
130725 5001,63,4 10
135725 5131,63,4
Dari uraian pad a pembahasan di atas dapat disimpulkan sebagai berikut:
1. Telah dilakukan perakitan komponen nitridasi plasma (konstruksi) dan uji fungsi variasi jarak anode-katode pad a jarak, 4 em, 10 em, 12 em dan 18 em, sehingga diperoleh data terjadinya awal plasma yaitu antara 350 - 365 volt. dengan demikian variasi jarak anode-katode memang sangat perlu dilakukan untuk mengetahui tegangan awal terjadinya plasma, dalam uji fungsi diperoleh data semakin jauh jarak anode- katode semakin besar tegangan yang diperlukan untuk membuat plasma awal.
2. Dengan memvariasi tegangan dan tekanan diperoleh karakteristik kinerja perangkat nitridasi plasma dimana dengan variasi tegangan dan tekanan diperoleh kenaikan arus plasma dari 0,2 sampai 3.4 Amper, yang mengakibatkan suhu nitridasi meneapai 513°C, dengan tegangan 725 volt pada posisi tekanan 1,6xlO'0 mbar.
3. Perlu dilakukan uji fungsi yang berkelanjutan dengan meningkatkan lama waktu proses nitridasi agar diperoleh keandalan kinerja perangkat nitridasi plasma yang lebih baik.
DAFT AR PUST AKA
1.
KOMUNA.M ; "
Film Deposition By Plasma Techniques" Springer-Verlag, New York,1992 2.SURDIA. T; SAITO. S;
"Pengetahuan BahanTeknik " eetakan ke tiga ; Pradnya Paramita, Jakarta, 1995
3.
ANONIM "
Department of Trade and Industry Wear Resistan Surface In Enginering" Her Majesty's, statmery office, London, 1986PRO SIDING SEMINAR
PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses BahanYogyakarta, 11 September 2013
batan @
4. VAN VLACK ;
Ilmu dan Teknologi Bahan"edisi V Penerjemah Sriati Djaprie, Penerbit Erlangga, Jakarta; 1995.
5. MARK LAWRENCE LIPHAM.
Ir Electrical Breakdown Studies Of Particel Pressure Argon Under KHz Range Pulse Voltages" Auburn. Alabama. May 14. 2010.TANYA JAWAB I Wayan Widiana
~ Bagaimana terjadinya plasma?
~ Berapa dan bagaimana untuk mencapai suhu nitridasi ?
Sukidi
~ Terjadinya plasma adalah perbedaan tegangan an tara anode dan katode pada tekanan tertentu sehingga akan terjadi plasma.
~ Suhu nitridasi antara 500°C sampai dengan 550°C. Untuk meneapai suhu tersebut dibutuhkan arus yang besar pada tekanan yang bisa diatur dengan gas masuk nitrogen
Agung Nugroho
~ Berapa jangkau suhu nitridasi plasma yang ideal ?
~ Pada tegangan plasma akan terjadi ? Sukidi
~ Suhu nitridasi antara 500°C - 550°C
~ Pada perubahan tegangan dengan jarak anode-katode tertentu pada makalah ini dengan jarak anode-katode
4
em -18
em dibutuhkan tegangan an tara 350°C - 360°C untuk membangkitkan plasmaBuku II hal. 438 ISSN 1410 - 8178 Sukidi, dkk
