PENGARUH PROSES NITRIDASI ION PADA BIOMATERIAL TERHADAP KEKERASAN DAN KETAHANAN KOROSI

(1)

Volume 13, Januari 2013 ISSN 1411-1349

PENGARUH PROSES NITRIDASI ION PADA BIOMATERIAL TERHADAP KEKERASAN DAN KETAHANAN KOROSI Wirjoadi, Lely Susita, Bambang Siswanto, Sudjatmoko

25

PENGARUH PROSES NITRIDASI ION PADA BIOMATERIAL

TERHADAP KEKERASAN DAN KETAHANAN KOROSI

Wirjoadi, Lely Susita, Bambang Siswanto, Sudjatmoko

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan – BATAN Yogyakarta Jl.Babarsari Kotak Pos 6101 Ykbb, Yogyakarta 55281

Email : ptapb@batan.go.id

ABSTRAK

PENGARUH PROSES NITRIDASI ION PADA BIOMATERIAL TERHADAP KEKERASAN DAN KETAHANAN KOROSI. Telah dilakukan proses nitridasi ion pada biomaterial metal untuk memperbaiki sifat-sifat mekanik material, khususnya untuk meningkatkan kekerasan dan ketahanan korosinya. Biomaterial metal ini dimanfaatkan untuk tulang buatan atau prostetik dan digunakan sebagai piranti cangkok ortopedik yang biasanya dari biomaterial metal tipe SS-316L dan paduan Ti-6Al-4V. Tujuan penelitian ini adalah untuk pengembangan penelitian dan pemanfaatan metode nitridasi ion untuk mendapatkan bahan lapisan tipis nitrida besi dan nitrida titanium pada permukaan biomaterial metal untuk tulang buatan yang mempunyai nilai kekerasan sangat tinggi, sehingga mempunyai ketahanan aus dan korosi yang baik. Pengukuran kekerasan cuplikan menggunakan Microhardness Tester, diperoleh nilai kekerasan optimum sekitar 582 VHN untuk SS 316L, dicapai pada suhu nitridasi 500 oC, waktu nitridasi 3 jam, tekanan gas nitrogen 1,8 mbar dan nilai kekerasannya meningkat menjadi 143% dari cuplikan standar 406 VHN. Nilai kekerasan optimum untuk cuplikan paduan Ti-6Al-4V sekitar 764 VHN, yang dicapai pada kondisi suhu nitridasi 500oC, waktu nitridasi 4 jam, tekanan gas nitrogen 1,6 mbar dan nilai kekerasannya meningkat menjadi 153% dari cuplikan standar 499 VHN. Ketahanan korosi hasil proses nitridasi ion untuk cuplikan SS-316L dan paduan Ti-6Al-4V diperoleh ketahanan korosi optimum pada suhu 350 oC masing-masing dengan rapat arus korosi 260,12 µA/cm2 dan 110,49 µA/cm2 atau laju korosi 29,87 mpy dan 15,19 mpy.

Kata kunci : biomaterial, ketahanan aus, korosi, nitridasi ion.

ABSTRACT

EFFECT OF ION NITRIDATION PROCESS ON HARDNESS AND THE CORROSION RESISTANCE OF BIOMATERIALS. Ion nitriding process has been performed on metal biomaterials to improve their mechanical properties of materials, particularly to increase hardness and corrosion resistance. This metallic biomaterials used for artificial bone or a prosthetic graft and used as devices of orthopedic biomaterials are usually of 316L SS metal-type and Ti-6Al-4V alloy. The purpose of this study is to research the development and utilization of ion nitridation method in order to get iron and titanium nitride thin films on the metallic biomaterials for artificial bone that has wear resistance and corrosion resistance is better. Microhardness of the samples was measured using a microhardness tester, optimum hardness of SS 316L samples are about 582 VHN, this was obtained at the nitriding temperature of 500 oC, the nitriding time of 3 hours and the nitrogen gas pressure of 1.6 mbar, while optimum hardness of Ti-6Al-4V alloy is 764 VHN, this was obtained at the nitriding temperature of 500 oC, the nitriding time of 4 hours and the nitrogen gas pressure of 1.6 mbar. The hardness value of SS 316L sample and Ti-6Al-4V alloy increase to 143% and 153%, if compared with standard samples. The optimum corrosion resistance at temperature of 350 oC for SS 316L and Ti-6Al-4V are 260,12 and 110,49 µA/cm2_{or corrosion rate are 29,866 and 15,189 mpy, respectively.}

Keywords: biomaterials, wear resistance, corrosion, ion nitridation

PENDAHULUAN

alam bidang kedokteran, biomaterial adalah material sintetis yang digunakan untuk tulang buatan atau piranti cangkok ortopedik (orthopedic implant devices). Piranti cangkok ortopedik adalah sambungan buatan yang menggantikan bagian tubuh yang rusak atau hilang, dan biasanya digunakan untuk menggantikan bagian yang hilang oleh cedera (trauma) atau hilang dari lahir (bawaan) atau untuk melengkapi bagian-bagian tubuh yang cacat.

Biomaterial tersebut telah banyak digunakan untuk memperbaiki atau menggantikan fungsi suatu sistem otot-kerangka tubuh manusia yang sakit atau rusak, misalnya seperti tulang, tulang sendi dan gigi (1). Berdasarkan pada kenyataan data yang ada, maka masalah kerusakan tulang tersebut di negara-negara maju sekitar separuhnya sebagai penyebab dari semua penyakit kronis pada orang-orang dengan usia lebih dari 50 tahun. Selain dari itu diperkirakan bahwa persentase orang-orang dengan usia lebih dari

(2)

ISSN 1411-1349 Volume 13, Januari 2012

26 Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi

Akselerator dan Aplikasinya Vol. 13, Januari 2012 : 25 - 36

50 tahun yang terkena penyakit tulang akan berlipat ganda pada tahun 2020 (4). Penyembuhan penyakit tersebut sering memerlukan operasi atau pencangkokan piranti ortopedik, termasuk penggantian total tulang sendi, selain patah tulang, nyeri pinggang, osteoporosis, scoliosis dan masalah tulang-rangka (musculoskeletal) lainnya. Oleh karena itu, saat ini biomaterial untuk piranti cangkok ortopedik akan memainkan peranan yang sangat penting dan berkembang sangat pesat dalam meningkatkan pelayanan kesehatan masyarakat.

Biomaterial yang dimanfaatkan untuk tulang buatan atau prostetik dirancang secara kontinyu yang berinteraksi dengan cairan tubuh manusia untuk jangka waktu pendek atau panjang. Biomaterial metalik yang digunakan sebagai piranti cangkok ortopedik biasanya dibuat dari salah satu di antara tiga jenis material: austenitik stainless steel jenis 316L, paduan kobalt-krom, titanium murni komersial dan paduannya Ti-6Al-4V (1,2,3,5,6). Biomaterial austenitic stainless steel jenis 316L banyak digunakan untuk fabrikasi piranti cangkok ortopedik karena harganya yang lebih murah, fabrikasi dan pengelasannya mudah dilakukan jika dibandingkan dengan paduan kobalt, titanium dan paduannya. Akan tetapi berdasarkan suatu kajian yang pernah dilakukan memperlihatkan bahwa sebagian besar, dan bahkan hingga sekitar 90%, kegagalan pencangkokan piranti cangkok ortopedi atau prostetik berbasis metal, khususnya austenitic stainless steel jenis 316L, disebabkan oleh serangan korosi akibat interaksi dengan cairan tubuh manusia dan terjadi keausan karena menahan beban gesekan dalam tulang sendi (1).

Apabila piranti cangkok ortopedik metalik tersebut dicangkokkan ke dalam tubuh manusia, maka metal tersebut secara kontinyu akan terpapar atau terkena cairan tubuh seperti cairan jaringan ekstraseluler (extracellular tissue fluid) dan darah, tergantung pada jaringan di sekitarnya. Permukaan metal yang dicangkokkan akan terpapar dan mengalami kerusakan secara elektrokimia pada kelajuan tertentu karena interaksi dengan lingkungan di sekitarnya yang kompleks dan korosif. Dalam tubuh manusia, lingkungan di sekitar tersebut dapat mengandung air, campuran organik yang kompleks, oksigen yang terlarut dan sejumlah besar ion-ion sodium dan khlorid dan elektrolit lainnya seperti bikarbonat dan sejumlah kecil potassium, kalsium, magnesium, fosfat, sulfat dan asam amino, protein, plasma, getah bening, dsb (1,2,5). Oleh karena itu diperlukan suatu cara atau metode untuk memperbaiki sifat-sifat mekanik material, khususnya untuk meningkatkan kekerasan dan ketahanan korosinya, murah dan kuat yaitu dengan melakukan modifikasi permukaan biomaterial untuk prostetik atau tulang buatan.

Modifikasi permukaan stainless steel 316L dan paduan Ti-6Al-4V adalah salah satu alternatif yang sudah siap dalam praktek. Teknik modifikasi permukaan yang dapat dimanfaatkan antara lain adalah pelapisan keras (hard coatings), nitridasi ion

(8,9)

, nitridasi menggunakan laser (laser nitriding) dan implantasi ion (1,2,7), biokeramik dan pelapisan biomimetik (biomimetic coatings) (2), semuanya mempunyai peluang yang sangat besar untuk memperbaiki unjuk kerja piranti cangkok ortopedik dan memperbaiki kualitas hidup penerima cangkok ortopedik. Tujuan penelitian ini adalah melanjutkan penelitian dan pengembangan serta pemanfaatan metode nitridasi ion untuk mendapatkan bahan lapisan tipis nitrida besi dan titanium pada permukaan biomaterial metalik untuk tulang buatan yang mempunyai kekerasan sangat tinggi sehingga mempunyai ketahanan aus yang sangat baik, tahan terhadap korosi, murah dan kuat.

Pada umumnya biomaterial metalik ini sering digunakan untuk mendukung atau menggantikan komponen kerangka tubuh manusia, sebagai contoh antara lain untuk tulang sendi buatan (artificial joints), pelat tulang (bone plates), pelekatan tulang punggung (spinal fixations), katup jantung buatan (artificial heart valves) dan pencangkokan atau implan gigi (dental implants), sekrup dan lain-lainnya(3). Biomaterial metalik tersebut memiliki kekuatan tarik (tensile strength) yang lebih besar, kekuatan fatik (fatigue strength) dan ketangguhan terhadap keretakan (fracture toughness) jika dibandingkan dengan material polimer dan keramik. Biomaterial metalik yang paling banyak digunakan untuk piranti cangkok ortopedik adalah austenitic stainless steel jenis 316L, titanium murni komersial dan paduannya Ti-6Al-4V dan paduan kobalt. Biomaterial austenitic stainless steel jenis 316L banyak digunakan untuk fabrikasi piranti cangkok ortopedik karena harganya yang lebih murah, fabrikasi dan pengelasannya mudah dilakukan jika dibandingkan dengan paduan kobalt, titanium dan paduannya.

TATA KERJA

Persiapan Bahan

Bahan yang digunakan dalam proses nitridasi ion adalah biomaterial berbasis besi berupa stainless steel austenitik jenis 316L dengan kemurnian (% berat): Fe-69%, Cr-18%, Ni-10%, Mo-3% dan paduan Ti-6Al-4V: Ti-90%, Al-6%, V-4%; sedangkan bahan-bahan yang digunakan dalam pembuatan larutan Hanks untuk uji korosi terdiri dari NaCl, CaCl2, KCl, NaHCO3, glukosa, NaH2PO4,

MgCl2.6H2O, Na2HPO4.2H2O, dan MgSO4.7H2O

produksi PT Merck yang memiliki tingkat kemurnian 99,5%.

(3)

27 Persiapan Alat

Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari: sistem peralatan nitridasi ion, microhardness-tester merk MATSUZAWA MMT-X7, alat uji korosi potensiostat PGS-201T.

Preparasi cuplikan

Bahan yang digunakan untuk cuplikan berupa stainless steel austenitik jenis 316L dan paduan Ti-6Al-4V dipotong-potong dengan ukuran 1,0 cm × 1,0 cm dan tebal 2,0 mm. Potongan cuplikan dalam bentuk keping tersebut dihaluskan permukaannya menggunakan kertas ampelas, selanjutnya dipoles menggunakan pasta intan dan digosok dengan kain beludru sampai dihasilkan permukaan yang halus dan mengkilap. Untuk menghilangkan kotoran pada permukaan cuplikan dilakukan pencucian menggunakan alkohol atau aceton kemudian dimasukkan ke dalam pembersih ultrasonik.

Proses nitridasi ion

Proses nitridasi ion dilakukan menggunakan peralatan nitridasi ion yang terdiri dari bejana vakum terbuat dari logam dilengkapi dengan sistem vakum, sistem masukan gas nitrogen, sistem tegangan tinggi DC 300 - 1.200 volt dan kontrol suhu. Daerah lucutan dioperasikan dalam daerah lucutan pijar abnormal, dimana akan diperoleh arus yang tinggi dan menghasilkan rapat daya besar, sehingga didapatkan laju pertumbuhan lapisan nitrida yang cepat. Kenaikan suhu dalam benda kerja alat dapat diukur dengan menggunakan termokopel. Suhu nitridasi dijaga konstan dengan mengatur keluaran sumber daya, dan suhu nitridasi pada umumnya antara 350 - 600 oC untuk material baja. Untuk mendapatkan nilai kekerasan optimum dan ketahanan korosi yang masih baik, maka dilakukan variasi parameter nitridasi ion yaitu suhu nitridasi, tekanan gas nitrogen dan waktu nitridasi ion. Pada penelitian ini suhu nitridasi ion divariasi pada kisaran 350, 400, 450, 500 dan 550 oC; sedangkan tekanan gas nitrogen divariasi untuk nilai 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0 dan 2,4 mbar; dan variasi waktu nitridasi ion 1, 2, 3, 4 dan 5 jam.

Karakterisasi cuplikan

Pengujian kekerasan lapisan tipis nitrida besi dan nitrida titanium hasil nitridasi ion dilakukan dengan menggunakan alat uji Vikers (Vikers Microhardness Tester) dan angka kekerasan Vikers (Vikers Hardness Number = VHN) diperoleh dari persamaan(10) :

VHN = 1,854 P/L 2 (1) dimana VHN adalah angka kekerasan mikro, P adalah beban yang digunakan (kgf) dan L adalah panjang diagonal yang lebih panjang (mm). Nilai kekerasan tersebut berkaitan dengan ketahanan aus,

dimana keausan merupakan suatu peristiwa gesekan dan pelepasan partikel-partikel metal dari permukaannya yang disebabkan oleh metal atau logam lainnya, bahan non metal, cairan atau gas yang bergerak. Jika suatu bahan mempunyai ketahanan terhadap deformasi, maka bahan metal tersebut dapat dikatakan sebagai material yang mempunyai kekerasan tinggi. Sebaliknya, jika bahan metal mempunyai ketahanan terhadap deformasi lemah, maka bahan tersebut mempunyai kekerasan rendah. Nilai ketahanan aus berbanding terbalik dengan kekerasan, maka ketahanan ausnya semakin baik jika nilai kekerasannya semakin besar. Ketahanan aus ditentukan berdasarkan pada laju material yang aus atau jumlah material yang terauskan (massa, volume atau tebal) per satuan jarak luncur atau waktu pengausan.

Ketahanan korosi cuplikan ditentukan menggunakan alat uji korosi potensiostat PGS-201T untuk mengukur besarnya rapat arus korosi Ikor.

Rapat arus korosi menentukan sifat permukaan bahan, untuk bahan yang lebih tahan terhadap korosi, maka rapat arus korosinya kecil, yang berarti jumlah ion-ion positif yang mengalir setiap detik akan lebih sedikit dibandingkan dengan bahan yang tak tahan terhadap korosi. Besarnya laju korosi sebagai fungsi dari rapat arus korosi (ampere/m2), yaitu besarnya arus listrik yang mengalir dari anode menuju ke katode atau sebaliknya, rapat jenis bahan dan luas cuplikan; dan besarnya laju korosi cuplikan lapisan nitrida besi dapat ditentukan dengan persamaan(10) :

Laju korosi (mpy) = (0,13 × Ikor × EW)/(A.d) (2)

dengan 0,13 adalah faktor konversi, Ikor adalah rapat

arus korosi (µA/cm2

), EW adalah berat ekivalen (g/ekivalen), A adalah luas cuplikan (cm2) dan d adalah densitas (g/cm3). Arus korosi menunjukkan banyak sedikitnya ion-ion logam yang larut dalam larutan elektrolit. Jika rapat arus yang terukur besar, maka ion-ion logam banyak yang larut kedalam larutan elektrolit, sehingga mengakibatkan logam berada pada kondisi yang tidak stabil dan mengalami kerusakan pada bagian permukaannya karena bereaksi dengan lingkungannya.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Dalam penelitian ini telah dilakukan proses nitridasi ion cuplikan biomaterial jenis SS 316L dan paduan Ti-6Al-4V. Untuk mendapatkan nilai kekerasan optimum cuplikan SS 316L dan paduan Ti-6Al-4V, maka proses nitridasi ion telah dilakukan variasi waktu nitridasi pada tekanan gas nitrogen 1,4 mbar dan suhu nitridasi 400 oC. Grafik hubungan nilai kekerasan sebagai fungsi waktu nitridasi ion cuplikan SS 316L dan paduan Ti-6Al-4V masing-masing ditampilkan pada Gambar 1 dan 2.

(4)

ISSN 1411-1 28 Gambar Gambar Dal tipis seny bergantung nitridasi io naiknya su nitridasi io nilai keke senyawa n terbentuk m ion diperl plasma m nitrida be dengan ni waktu nitr titanium ya nilai keke nitridasi i diperpanjan kandungan senyawa n nilai keker 1349 r 1. Grafik n tekanan r 2. Grafik n tekanan am proses nit yawa nitrida g pada suhu n on, ketebalann uhu nitridasi io on. Untuk wak

erasan cuplik nitrida besi masih sangat lama, maka menjadi besar. esi yang terb

ilai kekerasan idasi 3 jam; ang terbentuk erasan 642 V ion 4 jam. ng lagi, ma n nitrogen dala nitrida besi da asan cuplikan nilai kekerasan gas nitrogen nilai kekerasan gas nitrogen tridasi ion, ke besi dan n nitridasi ion d nya akan men on atau bertam ktu nitridasi io kan rendah dan nitrida tipis. Ketika kandungan n . Untuk la bentuk menc n 476 VHN dan lapisan s k mencapai op VHN dicapa Jika waktu ka akan terj am plasma un an nitrida tita n menurun. n cuplikan SS 1,4 mbar dan n cuplikan Ti-1,4 mbar dan etebalan lapis nitrida titaniu dan juga wak ningkat denga mbahnya wak on yang pende karena lapis titanium yan waktu nitrida nitrogen dala apisan senyaw capai optimu , dicapai pa senyawa nitrid ptimum deng ai pada wak u nitridasi io jadi kejenuh ntuk membentu anium, sehing P 316L hasil ni suhu nitridasi 6Al-4V hasil suhu nitridasi an um ktu an ktu ek, an ng asi am wa um da da an ktu on an uk ga untuk nitrid pada padu nitrog nitrid diket terbe temp nitrog dalam mem prose dapat terbe masih renda Prosiding Perte

itridasi ion unt i 400 oC.

nitridasi ion u i 400 oC.

Hasil grafik k variasi tek dasi 3 jam dan Gambar 3. an Ti-6Al-4 gen, pada w dasi 400 oC dit Berdasarkan tahui bahwa entuk bergantu peratur dalam p gen yang ma m plasma j mbentuk lapis es nitridasi i t mempenga entuk dan bil

h rendah, mak ah.

V

muan dan Pres Akse Vol. 13, tuk variasi wa untuk variasi w k nilai kekeras kanan gas ni n suhu nitridas Grafik nilai 4V untuk v waktu nitridas tampilkan pad n mekanism lapisan sen ung pada kan

plasma, sehin asih rendah, juga masih an nitrida se ion, paramete aruhi kerapa la energi pla ka kualitas lap Volume 13, Janu sentasi Ilmiah T elerator dan Ap Januari 2012 aktu nitridasi, waktu nitridas san cuplikan S itrogen, pada si 400 oC ditam i kekerasan c variasi tekan si 4 jam da da Gambar 4. me nitridas nyawa nitrid ndungan nitrog ngga pada teka

kandungan n kecil dan epenuhnya. er tekanan g atan plasma asma yang te pisan tipis jug

uari 2012 Teknologi likasinya : 25 - 36 pada si, pada SS 316L a waktu mpilkan cuplikan an gas an suhu si ion da yang gen dan anan gas nitrogen belum Dalam gas juga a yang erbentuk ga masih

(5)

Volume PENGA TERHAD Wirjoad Gam Gam P suhu 40 untuk Dalam suhu te belum atau at masuk rendah. penump permuk permuk pada k grafik diketah dinaikk kandun optimu nilai ke 13, Januari 20 ARUH PROSES DAP KEKERA di, Lely Susita, B

mbar 3. Grafi

pada

bar 4. Grafik

nitroge Pada saat teka 00 oC, waktu

cuplikan SS hal ini dimu ersebut atom-a mencukupi u tom-atom nit kedalam subs . Dari hasil ni pukan atom kaan, sehingg kaan lapisan kondisi tekan pada Gamba hui bahwa kan mencapa ngan nitroge um dan membe ekerasan opti 013 S NITRIDASI I ASAN DAN KE Bambang Sisw

fik nilai keker waktu nitrida

k nilai kekeras en, pada waktu anan gas 1,4 m nitridasi 3 jam 316L nilai ungkinkan ka atom nitrogen untuk ternitri trogen belum strat karena en itridasi ion ter m-atom ni ga terjadi p menyebabka an 1,4 mbar ar 3 untuk c ketika tekan ai tekanan en dalam p entuk lapisan imum 675 V ION PADA BI ETAHANAN KO wanto, Sudjatmo rasan cuplikan asi 3 jam dan s

san cuplikan p u nitridasi 4 ja mbar, pada ko m diketahui b kekerasan arena pada ko n hasil nitrida idasi pada su m mampu ber nergi plasma m rsebut masih t itrogen dis porositas dis an nilai keke r menurun. cuplikan SS nan gas nit

1,8 mbar, plasma men nitrida besi d VHN. Berdas IOMATERIAL KOROSI oko n SS 316L ha suhu nitridasi paduan Ti-6Al am dan suhu n ondisi bahwa turun. ondisi asi ion ubstrat rdifusi masih terjadi sekitar sekitar erasan Hasil 316L trogen maka ncapai engan sarkan d y at γ d n u k su u D m se m re p p p sil nitridasi io 400 oC. l-4V hasil nitr nitridasi 400 oC iagram fasa F ang harus di tom N dan ko ’- Fe4N. Se inaikkan lagi itrogen dalam ntuk memben ekerasan cupl Pada sa uhu 400 oC, w ntuk cuplikan Dalam proses mempengaruhi ehingga apab masih rendah, endah. Dari h enumpukan ermukaan, s ermukaan lap on untuk varia

ridasi ion untu C. Fe-N, maka sy ipenuhi yaitu omposisi ini te elanjutnya jik i di atas 1,8 m plasma aka ntuk lapisan ni likan akan me aat tekanan ga waktu nitridas n Ti-6Al-4V nitridasi para i kerapatan p bila energi p maka kualitas hasil nitridasi i atom-atom sehingga terj pisan menyeba ISSN asi tekanan ga uk variasi teka yarat terbentuk u pada kompo erbentuk jenis ka tekanan ga mbar, maka an mengalami itrida besi, seh enurun. as 1,4 mbar, p si 4 jam diket V nilai kekera ameter tekanan plasma yang plasma yang s lapisan tipis ion tersebut m nitrogen adi porosita abkan nilai ke N 1411-1349 29 as nitrogen, anan gas knya nitrida osisi 20 % nitrida besi as nitrogen kandungan i kejenuhan hingga nilai ada kondisi tahui bahwa asan turun. n gas dapat terbentuk, g terbentuk juga masih masih terjadi disekitar s disekitar ekerasan

(6)

Ti-ISSN 1411-1349 Volume 13, Januari 2012

6Al-4V pada kondisi tekanan 1,4 mbar menurun. Pada Gambar 4 untuk cuplikan paduan Ti-6Al-4V diketahui bahwa hasil yang diperoleh nilai kekerasan optimum dicapai pada tekanan gas nitrogen 1,6 bar dan membentuk lapisan nitrida titanium dengan nilai kekerasan optimum 730 VHN. Selanjutnya jika tekanan gas nitrogen dinaikkan lagi di atas 1,6 mbar, maka kandungan nitrogen dalam plasma juga akan mengalami kejenuhan untuk membentuk lapisan nitrida titanium, sehingga nilai kekerasan untuk cuplikan paduan Ti-6Al-4V akan menurun.

Grafik nilai kekerasan sebagai fungsi suhu nitridasi untuk cuplikan SS 316L hasil nitridasi ion pada kondisi tekanan gas nitrogen 1,8 mbar dan waktu nitridasi 3 jam ditampilkan pada Gambar 5 dan untuk cuplikan paduan Ti-6Al-4V hasil nitridasi ion pada kondisi tekanan gas nitrogen 1,6 mbar dan waktu nitridasi 4 jam ditampilkan pada Gambar 6.

Berdasarkan Gambar 5 tersebut dapat diketahui bahwa pada saat suhu nitridasi ion masih rendah, maka senyawa nitrida besi yang terbentuk masih sangat tipis sekali dan nilai kekerasan cuplikan masih rendah. Dalam diagram fasa Fe-N Gambar 6, maka diketahui ada beberapa jenis nitrida besi yaitu pada komposisi sekitar 11 % atom N terbentuk nitrida besi jenis fasa α’’- Fe16N2, pada

komposisi 20 % atom N terbentuk nitrida besi jenis fasa γ’- Fe4N, pada komposisi (25 – 33) % atom N

terbentuk nitrida besi jenis fasa ε-FexN dan pada

komposisi sekitar 33,3 % atom N terbentuk nitrida besi jenis fasa ζ-Fe2N. Pada saat suhu nitridasi ion

dinaikkan menjadi 500 oC, maka senyawa nitrida besi yang terbentuk menjadi lebih besar dan nilai kekerasan cuplikan mencapai sekitar 582 VHN. Ketika suhu nitridasi ion dinaikkan lagi di atas suhu 500 oC, maka nilai kekerasan justru mengalami penurunan, karena atom nitrogen akan berdifusi lebih dalam dan membentuk daerah difusi di bawah lapisan senyawa. Hasil data nitridasi ion yang diperoleh pada Gambar 5, telah menunjukkan bahwa nilai kekerasan cuplikan optimum 582 VHN, dicapai pada kondisi suhu nitridasi 500 oC, tekanan gas nitrogen 1,8 mbar dan waktu nitridasi 3 jam. Dari data tersebut, maka nitrida besi yang terbentuk kira-kira dari jenis nitrida besi fasa γ’-Fe4N karena

komposisi unsur nitrida yang terbentuk sekitar 15,6 % atom N. Dengan demikian berdasarkan perhitungan data, maka nilai kekerasan cuplikan SS 316L meningkat menjadi 143 % apabila dibandingkan dengan nilai kekerasan SS 316L standar 406 VHN.

Berdasarkan Gambar 7 tersebut dapat diketahui bahwa pada saat suhu nitridasi ion masih rendah, maka senyawa nitrida titanium yang terbentuk masih sangat tipis dan nilai kekerasan

cuplikan masih rendah. Dalam diagram fasa Ti-N Gambar 8, maka diketahui ada beberapa jenis nitrida titanium yaitu pada komposisi sekitar (0-12,8) % atom N terbentuk nitrida titanium jenis fasa α+Ti2N

dan komposisi (12,8-20) % atom N terbentuk nitrida titanium jenis fasa TiN+Ti2N. Pada saat suhu

nitridasi ion dinaikkan menjadi 500 oC, maka senyawa nitrida titanium yang terbentuk menjadi lebih besar dan nilai kekerasan cuplikan mencapai sekitar 764 VHN. Ketika suhu nitridasi ion dinaikkan lagi di atas suhu 500 oC, maka nilai kekerasan justru mengalami penurunan, karena atom nitrogen akan berdifusi lebih dalam dan membentuk daerah difusi di bawah lapisan senyawa.

Hasil data nitridasi ion yang diperoleh pada Gambar 7, telah menunjukkan bahwa nilai kekerasan cuplikan optimum 764 VHN, dicapai pada kondisi suhu nitridasi 500 oC, tekanan gas nitrogen 1,6 mbar dan waktu nitridasi 4 jam. Dari data tersebut diatas, maka nitrida titanium yang terbentuk kira-kira dari jenis nitrida titanium fasa α+Ti2N karena komposisi

unsur nitrida yang terbentuk sekitar 11,74 % atom N. Dengan demikian berdasarkan perhitungan, maka nilai kekerasan cuplikan Ti-6Al-4V meningkat menjadi 153 % apabila dibandingkan dengan nilai kekerasan paduan Ti-6Al-4V standar 499 VHN.

Selain dilakukan pengujian kekerasan, cuplikan hasil proses nitridasi ion tersebut juga diuji ketahanan korosinya dalam larutan Hanks, yang merupakan larutan simulasi mirip dengan cairan tubuh manusia. Larutan Hanks dibuat di laboratorium dengan bahan-bahan kimia yang terdiri dari: NaCl 8,0g/l, CaCl2 0,14g/l, KCl 0,4g/l,

NaHCO3 0,35g/l, glukosa 1,0g/l, NaH2PO4 0,1g/l,

MgCl26H2O 0,1g/l, Na2HPO4.2H2O 0,06g/l,

MgSO4.7H2O 0,06g/l. Pengukuran laju korosi

cuplikan berupa kurva potensial vs log intensitas arus dilakukan dengan menggunakan potensiostat PGS-201T dengan bahan pelarutan berupa larutan Hank. Arus korosi menunjukkan banyak sedikitnya ion-ion logam yang larut dalam larutan elektrolit. Ketepatan penentuan nilai intensitas arus korosi Ikor

sangat diperlukan, karena Ikor berbanding langsung

dengan besarnya laju korosi. Jika rapat arus korosi terukur besar, maka ion-ion logam banyak yang larut kedalam larutan elektrolit, sehingga mengakibatkan logam berada pada kondisi yang tidak stabil dan akan mengalami kerusakan pada bagian

permukaannya karena bereaksi dengan

lingkungannya.

Karakterisasi ketahanan korosi cuplikan SS 316L hasil proses nitridasi ion untuk variasi suhu nitridasi 350 - 550 oC, pada tekanan gas nitrogen 1,8 mbar dan waktu nitridasi 3 jam ditampilkan pada Gambar 9.

(7)

Volume PENGA TERHAD Wirjoad Gamba Gam 13, Januari 20 ARUH PROSES DAP KEKERA di, Lely Susita, B

ar 5. Grafik tekanan bar 7. Grafi nitrid 013 S NITRIDASI I ASAN DAN KE Bambang Sisw nilai kekerasa n gas nitrogen

fik nilai keker dasi ion pada t

ION PADA BI ETAHANAN KO wanto, Sudjatmo an sebagai fun n 1,8 mbar dan Gamba rasan sebagai tekanan gas n IOMATERIAL KOROSI oko

ngsi suhu nitr n waktu nitrida

ar 6. Diagram

fungsi suhu itrogen 1,6 mb

ridasi dari cup asi 3 jam.

m fasa Fe-N.

nitridasi dari bar dan waktu

plikan SS 316L i cuplikan pa u nitridasi 4 ja ISSN L hasil nitrida duan Ti-6Al am. N 1411-1349 31

asi ion pada

(8)

ISSN 1411-1 32 Gambar 1349 (a). Su (c). Su (e). Su r 9. Kurva po suhu nitri pada teka uhu nitridasi 3 uhu nitridasi 4 uhu nitridasi 5 otensial vs log idasi: (a). 350 anan gas nitrog

Gambar 8 50 oC. 50 oC. 50 oC. g intensitas ar o C; (b). 400 o gen 1,8 mbar d P 8. Diagram fas

rus korosi cup

o

C; (c). 450 oC dan waktu nit

Prosiding Perte sa Ti-N. (b). (d). (f). S plikan SS 316 C; (d). 500 oC ridasi 3 jam. V

muan dan Pres Akse Vol. 13, . Suhu nitridas . Suhu nitridas SS 316L stand 6L hasil nitrid ; (e). 550 oC; Volume 13, Janu sentasi Ilmiah T elerator dan Ap Januari 2012 si 400 oC. si 500 oC. dar.

dasi ion untuk (f). SS-316L uari 2012 Teknologi likasinya : 25 - 36 k variasi standar,

(9)

33

Berdasarkan analisis data kurva potensial vs log intensitas arus korosi pada Gambar 9a, b, c, d, e dan f dapat diketahui bahwa cuplikan SS 316 L hasil nitridasi ion diperoleh rapat arus korosi

berturut-turut 260,12 µA/cm2; 299,73 µA/cm2; 310,76

µA/cm2; 334,24 µA/cm2; 267,32 µA/cm2; 410,38 µA/cm2. Dengan demikian dari grafik pada Gambar 9 dapat diketahui bahwa ketahanan korosi optimum untuk cuplikan SS 316L hasil nitridasi ion dicapai pada suhu 350 oC dengan rapat arus korosi 260,12 µA/cm2.

Karakterisasi ketahanan korosi cuplikan paduan Ti-6Al-4V hasil proses nitridasi ion untuk variasi suhu nitridasi 350-550 oC, pada tekanan gas nitrogen 1,6 mbar dan waktu nitridasi 4 jam ditampilkan pada Gambar 10.

Berdasarkan analisis data kurva potensial vs log intensitas arus korosi pada Gambar 10a, b, c, d, e dan f dapat diketahui bahwa cuplikan paduan Ti-6Al-4V hasil nitridasi ion diperoleh rapat arus

korosi berturut-turut 110,49 µA/cm2; 176,01

µA/cm2; 227,19 µA/cm2; 219,17 µA/cm2; 204,83 µA/cm2; 242,49 µA/cm2. Dengan demikian grafik pada gambar 10 dapat diketahui bahwa ketahanan korosi optimum untuk cuplikan paduan Ti-6Al-4V hasil nitridasi ion dicapai pada suhu nitridasi 350 oC dengan rapat arus korosi 110,49 µA/cm2

.

Berdasarkan pada kurva potensial vs log intensitas rapat arus korosi untuk cuplikan SS 316L pada Gambar 9, maka rapat arus korosi vs suhu nitridasi dapat diketahui kurva seperti yang ditampilkan pada Gambar 11a. Besarnya laju korosi dapat dihitung dari rumus (2), yaitu berbanding langsung dengan rapat arus korosi sehingga diperoleh kurva seperti yang ditampilkan pada Gambar 11b.

Berdasarkan Gambar 11a bisa diketahui bahwa ketahanan korosi optimum cuplikan SS 316L dicapai pada suhu nitridasi 350 oC dengan rapat arus korosi 260,12 µA/cm2

. Dari hasil uji ketahanan korosi, maka dapat diketahui bahwa ketahanan korosi optimum untuk cuplikan SS 316L pada Gambar 11b dicapai pada suhu nitridasi 350 oC dengan laju korosi sebesar 29,87 mpy. Apabila hasil laju korosi optimum cuplikan SS 316L dibandingkan dengan hasil laju korosi untuk cuplikan SS 316L standar sebesar 41,13 mpy, maka akan terjadi peningkatan ketahanan korosi sekitar 137 %. Peningkatan ketahanan korosi ini terjadi karena struktur fase lapisan tipis nitrida besi sudah terbentuk seperti FeN, Fe2N dan Fe4N. Hasil lapisan

senyawa nitrida besi tersebut mempunyai sifat sangat keras atau mempunyai ketahanan aus yang tinggi dan ketahanan korosi yang baik.

Berdasarkan pada kurva potensial vs log intensitas rapat arus korosi untuk cuplikan Ti-6Al-4V pada Gambar 10, maka kurva rapat arus korosi

vs suhu nitridasi dapat diketahui kurva seperti yang ditampilkan pada Gambar 12a. Besarnya laju korosi dapat dihitung dari rumus (2), yaitu berbanding langsung dengan rapat arus korosi, sehingga diperoleh kurva seperti yang ditampilkan pada Gambar 12b.

Berdasarkan Gambar 12a dapat diketahui bahwa ketahanan korosi optimum untuk cuplikan paduan Ti-6Al-4V dicapai pada suhu nitridasi 350

o_{C dengan rapat arus korosi 110,49 µA/cm}2

. Dari hasil uji ketahanan korosi, maka dapat diketahui bahwa ketahanan korosi optimum untuk cuplikan paduan Ti-6Al-4V pada Gambar 12b dicapai pada suhu nitridasi 350 oC dengan laju korosi sebesar 15,19 mpy. Apabila hasil laju korosi optimum untuk paduan Ti-6Al-4V dibandingkan dengan laju korosi untuk paduan Ti-6Al-4V standar sebesar 32,78 mpy, maka akan terjadi peningkatan ketahanan korosi sekitar 216 %. Peningkatan ketahanan korosi ini terjadi karena struktur fase lapisan tipis nitrida titanium mungkin sudah terbentuk seperti Ti2N dan

TiN+Ti2N. Hasil lapisan tipis senyawa nitrida

titanium tersebut mempunyai sifat sangat keras atau mempunyai ketahanan aus yang tinggi dan ketahanan korosi yang baik.

KESIMPULAN

Berdasarkan hasil dan pembahasan yang diuraikan tersebut di atas dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :

Karakterisasi nilai kekerasan cuplikan SS 316L hasil nitridasi ion diperoleh bahwa nilai kekerasan mencapai optimum sekitar 582 VHN, dicapai pada kondisi suhu nitridasi 500oC, waktu nitridasi 3 jam, tekanan gas nitrogen 1,8 mbar dan kekerasan meningkat menjadi 143 % apabila dibandingkan dengan nilai kekerasan cuplikan SS 316L standar 406 VHN. Untuk cuplikan paduan Ti-6Al-4V hasil nitridasi ion diperoleh nilai kekerasan optimum sekitar 764 VHN pada suhu nitridasi 500

o

C, waktu nitridasi 4 jam, tekanan gas nitrogen 1,6

mbar dan nilai kekerasan cuplikan meningkat

menjadi 153 % apabila dibandingkan dengan nilai kekerasan cuplikan paduan Ti-6Al-4V standar 499 VHN. Karakterisasi kurva potensial vs log intensitas arus korosi untuk cuplikan SS 316L hasil proses nitridasi ion diperoleh ketahanan korosi optimum pada suhu 350 oC dengan rapat arus korosi 260,12 µA/cm2

atau laju korosi 29,866 mpy terjadi peningkatan sekitar 137 % dari laju korosi SS 316L standar 41,13 mpy. Untuk paduan Ti6Al4V hasil dinitridasi ion diperoleh ketahanan korosi optimum pada suhu 350 oC dengan rapat arus korosi 110,49 µA/cm2

atau laju korosi 15,189 mpy terjadi peningkatan sekitar 216 % dari laju korosi Ti6Al4V standar 32,78 mpy.

(10)

ISSN 1411-1 34 Gambar 1 Gambar 1349 (a). Suh (c). Suh (e). Suh 10. Kurva p untuk va Ti-6Al-4

a). Rapat koro

r 11. Kurva pada te hu nitridasi 35 hu nitridasi 45 hu nitridasi 55 potensial vs l

ariasi suhu nit 4V standar, pa

osi vs suhu nit rapat korosi d ekanan gas nit

50 oC. 50 oC. 50 oC. og intensitas tridasi : (a). 3 ada tekanan ga tridasi dan laju koros

trogen 1,8 mb P arus korosi 350 oC; (b). 40 as nitrogen 1,6 si vs suhu nitri bar dan waktu

Prosiding Perte ( (d). S cuplikan padu 00 oC; (c). 45 6 mbar dan w b). Laju ko idasi untuk cu nitridasi 3 jam V

muan dan Pres Akse Vol. 13, (b). Suhu nitri Suhu nitridasi (f). Ti-6Al-4 uan Ti-6Al-4 50 oC; (d). 500 waktu nitridasi orosi vs suhu uplikan SS 316 m. Volume 13, Janu sentasi Ilmiah T elerator dan Ap Januari 2012 idasi 400 oC i 500 oC. 4V Standar 4V hasil nitrid 0 oC; (e). 550 4 jam. nitridasi 6L hasil nitrid uari 2012 Teknologi likasinya : 25 - 36 dasi ion 0 oC; (f). dasi ion

(11)

Volume PENGA TERHAD Wirjoad Gamba

UCAP

D menguc Slamet memba saat eksperi cuplika saudara

DAFT

1. U.K imp Jun 2. D.C Bod Elec 3. D. KO Med Geo 499 4. M. CA in o Inte 5. S. Bio Elec 44. 6. T. The corr with Mat 7. F. GA 13, Januari 20 ARUH PROSES DAP KEKERA di, Lely Susita, B

a). Rapat k ar 12. Kurv pada

PAN TERI

Dengan in capkan bany Riyadi dan antu pelaksana melakukan imen, pengam an. Semoga se a mendapat ba

TAR PUST

K. MUDALI plants, Sadha e/August (200 C. HANSEN,

dy: The Ultima ctrochemical BOMBAC, M OSEL, and R. dical Applica oenvironment, 9. NAVARR ASTANO, and orthopedics, erface 5 (2008 HIROMOT materials in C ctrochemical SUNDARAR e effect of ni rosion resista h oxygen a teriali in Tech BORGIO ALVANETTO 013 S NITRIDASI I ASAN DAN KE Bambang Sisw korosi vs suhu va rapat koros a tekanan gas n

IMA KASIH

ni kami yak terima k Sdr Ihwanu aan penelitian preparasi mbilan data egala bantuan

alasan dari All

TAKA

I, et al., C ana Vol. 28 03), 601-637. Metal Corro ate Bio-Corro Society Interf M. BROJAN . TURK, Rev ations, RMZ , Vol. 54, N RO, A. M d J.A. PLAN Journal of T 8), 1137-1158. TO, Corros Cell Culture E Society Inte RAJAN, and trogen-ion im ance of titani and argon-io hnologije 38 ( OLI, A.F O, and T. ION PADA BI ETAHANAN KO wanto, Sudjatmo u nitridasi si dan laju kor

nitrogen 1,6 m

H

sebagai p kasih kepada l Aziz yang n ini, terutama cuplikan, p dan karakte dan amal bud lah SWT, Am Corrosion of 8, Parts 3 osion in the H osion Scenario face, (2008), 3 N, P. FAJFA iew of Materi – Materials o. 4, (2007), MICHIARDI, ELL, Biomat The Royal So . ion of Me Environments erface, (2008) Z. PRAUNS mplantation o ium in compa on implanta 1-2) (2004), 1 FOSSATI, BACCI, IOMATERIAL KOROSI oko rosi vs suhu ni mbar dan wakt

enulis a Sdr telah a pada proses erisasi di baik mien. f bio & 4, Human o, The 31-34. AR, F. ials in s and O. terials ociety etallic s, The ), 41-SEIS, on the arison ations, 9-24. E. Glow 8 9 10.

T

Ir ¾ W 9 D ¾ b). Laju itridasi untuk tu nitridasi 4 j discharge stainless temperatur 200 (2005) . G. BATIST of Knee Engineering University (2004), 1-1 . V. TOSHK E. RUSSEV of austeniti Achieveme Engineering SUDJATM Pengaruh Mekanik Prosiding Penelitian Teknologi (2008), 1-9

TANYA JA

rianto ¾ Pada keke berapa yan Wirjoadi 9 Selama in kekerasan Dewita ¾ Bahan SS apakah su tulang? u korosi vs su cuplikan Ti-6 am. nitriding of steel: infl re, Surface &

, 2474-2480. TA, et.al., En Replaceme g Mechanics of Puerto 2. KOV, R. RUS VA, On low t ic stainless st ents in Mater g, Vol. 25, Iss MOKO dan Proses Nitr Material B Pertemuan Dasar Ilm Nuklir, Buku .

AWAB

erasan dan tin ng digunakan ni belum ada yang digunak 316L dan Ti-udah biasa d Kalau dipa ISSN uhu nitridasi 6Al-4V hasil n f AISI 316L fluence of & Coatings T ngineering Bio ent, Applic s in Medicin Rico, Mayag SSEV, T. MA temperature io teel AISI 316, rials and Ma sue 1, (2007), SUPRAPTO ridasi Ion P Besi dan P dan Present mu Pengeta u I, Yogyaka ngkat keausa pada biomate a standar be kan untuk biom

-6Al-4V yang dipakai untuk akai, menga N 1411-1349 35 nitridasi ion austenitic treatment Technology omechanics ations of ne, GED – güez, May ADJAROV, on nitriding , Journal of anufacturing 71-74. O, “Kajian Pada Sifat Paduannya”, tasi Ilmiah ahuan dan rta, 15 Juli an optimum erial? erapa nilai material. g digunakan k pengganti apa tidak

(12)

ISSN 1411-1349 Volume 13, Januari 2012

menggunakan bahan – bahan lain yang lebih murah? Mohon penjelasan!

Wirjoadi

9 Ya, bahan jenis SS 316L dan Ti-6Al-4V sudah biasa digunakan sebagai piranti cangkok otopedik. Tidak semua bahan dapat digunakan

untuk piranti cangkok otopedik kecuali bahan yang biokompatibel seperti SS-304, SS-316L, paduan Cobalt, CoCrNiFe, CoCr+ Ti-6Al-4V, CoCrMo. Apabila ditinjau dari nilai ekonomisnya, maka bahan jenis SS-316L lebih murah dari bahan Ti-6Al-4V dan yang mahal dari bahan platina.