Studi Surface Hardening pada Bahan Roda Gigi Buatan Indonesia
dengan Menggunakan DC-Plasma Nitrocarburizing
(masuk/received 17 Juli 2017, diterima/accepted 28 Juli 2017)
s
Study of Surface Hardening on Gear Material Made in Indonesia Using
DC-Plasma Nitrocarburizing
T.P. Nurhadi
1, Usman Sudjadi
2, Suprapto
3, Siti Chotijah
41
P.T. Gaya Makmur Mobil, Cengkareng, Jakarta Barat 2
PusatTeknologi Bahan Bakar Nuklir-BATAN, Tangerang Selatan 3
PusatSains dan Teknologi Akselerator-BATAN, Yogyakarta
4Dinas Pendidikan dan Kebudayaan, Tasikmadu, Karanganyar, Jawa Tengah
Abstrak – Material roda gigi buatan lokal Indonesia telah diteliti dan ditingkatkan kualitasnya dengan menggunakan
alat DC-Plasma Nitrocarburizing buatan BATAN, Yogyakarta. Penelitian ini menggunakan waktu perlakuan yang bervariasi 1-5 jam dengan pemanasan 400 °C. Pengujian kekerasan dilakukan dengan menggunakan alat uji kekerasan Vicker, sedangkan pengamatan struktur mikro dilakukan dengan alat SEM dan EDS. Hasilnya menunjukkan bahwa kekerasan sampel awal adalah 177,88 HV, sedangkan sampel lokal yang dinitrocarburizing pada 400 °C selama 5 jam, kekerasannya adalah 328,96 HV. Hal ini sudah melebihi kekerasan material roda gigibuatan Jepang, yaitu 317,54 HV.
Kata kunci: pengerasan permukaan, roda gigi, buatan Indonesia, DC-Plasma nitrocarburizing
Abstract – Material gears locally made in Indonesia has been investigated and improved by using a DC-Plasma
Nitrocarburizing at BATAN, Yogyakarta. This study uses the variations of treatment time 1-5 hours and by heating to 400 °C. Hardness testing was done using Vicker`s hardness tester, while the microstructure observation was performed using SEM and EDS. The results show that the hardness of the initial sampel was 177.88 HV, while local sampel after nitrocarburizing at 400 °C for 5 hours, the hardness was 328.96 HV. This already exceeds the material hardness gear made in Japan, namely = 317.54 HV.
Keywords: surface harderning, gear, made in Indonesia, DC-Plasma nitrocarburizing
I. PENDAHULUAN
Telah diketahui bahwa fungsi kerja roda gigi selalu bergesekan satu sama lain, oleh karena itu permukaan roda gigi harus mempunyai sifat yang tahan aus. Kalau tidak material roda gigi akan mengalami gompel atau rusak, berarti kualitasnya sangat rendah [1]. Agar
permukaan roda gigi tahan keausan, maka
permukanannya harus dikeraskan. Suatu material jika permukannya jika ditingkatkan kekerasannya pasti material tersebut akan bertambah ketahanan ausnya [2].
Penelitian ini memakai alat DC-Plasma
Nitrocarburizing buatan PSTA-BATAN (Pusat Sain dan
Teknologi Akselerator - Badan Tenaga Nuklir Nasional) di Yogyakarta. Kegunaan alat DC-Plasma
Nitrocar-burizing yang dibuat adalah untuk mengeraskan
permukaan material pada seluruh komponen elemen mesin yang memerlukan ketahanan aus karena pada permukaan selalu bergesekan dengan komponen elemen mesin yang lain seperti bearing, poros, gear, piston, rel dan roda kereta api, dan lain-lain.
Alat ini dapat juga digunakan untuk mengeraskan
permukaan komponen-komponen fasilitas nuklir
misalnya gerak lifting device limbah dari hotcell 101 ke 102, plunger pada pneumatic/hydraulic system, material dari hydraulic system, manipulator di hotcell dan lain
sebagainya. Selain itu dapat juga untuk mengeraskan seluruh permukaan komponen dan meningkatkan ketahanan korosinya di industri penerbangan dan perkapalan [3]. Teknologi pengerasan permukaan (surface hardening) pada bahan telah dilakukan oleh beberapa peneliti dengan mempergunakan beberapa teknologi [4-5].
Teknologi tersebut melingkupi plasma nitriding dan
nitrocarburizing, plasma immersion implantation, ECR ion nitriding, RF-plasma nitriding dan nitrocarburizing, low pressure plasma assisted nitriding dan high current density ion beam nitriding [1-10]. Di Indonesia telah
dibuat beberapa alat plasma nitriding seperti DC plasma
nitriding (temperatur maksimum hanya 500 °C). Alat nitrocarburizing temperatur tinggi yang telah
dikem-bangkan di PSTA- BATAN, Yogyakarta, adalah DC- dan
RF-plasma nitrocarburizing. Seperti diketahui bahwa
material roda gigi adalah material yang banyak juga dipakai di instalasi fasilitas nuklir, instalasi pengeboran minyak, pemipaan, bearing, piston, rel kereta api, beberapa komponen elemen mesin, pada alat transportasi dan lain-lain [5].
Pada studi ini dilaporkan hasil penelitian surface
hardening pada bahan roda gigi lokal pada temperatur
400° C selama 1-5 jam dengan menggunakan alat
II. METODE PENELITIAN/EKSPERIMEN
Material yang akan diteliti dipotong menjadi 6 sampel
dengan menggunakan mesin potong. Penandaan
diberikan pada setiap sampel sesuai dengan waktu proses
nitrocarburizing. Penandaan terdiri dari awal, A, B, C, D,
dan E, yang menyatakan waktu pada proses
nitrocar-burizing yaitu 1 jam, 2 jam, 3 jam, 4 jam, dan 5 jam.
Temperatur proses nitrocarburizing pada sampel A sampai E adalah 400 °C. Penandaan sampel ini akan sangat berguna dan memudahkan peneliti dalam membedakan sampel pasca treatment. Sampel Jepang dan
sampel lokal awal tak mengalami proses
nitrocar-burizing, untuk studi banding.
Pengamatan struktur mikro dan kedalaman
nitro-carburizing dilakukan dengan optical microscope dan
SEM (Scanning Electron Microscope). Pengujian komposisi kimia di dalam matriks menggunakan EDS (Energy Dispersive Spectroscopy). Pengujian kekerasan dengan menggunakan alat uji kekerasan Vickers.
Gambar 1 menggambarkan aliran penelitian yang di-lakukan. Gambar 2 merupakan peralatan
nitrocar-burizing.
Gambar 1. Diagram alir penelitian.
Proses nitrocarburizing adalah perlakuan termokimia yang melibatkan penambahan unsur nitrogen dan karbon dengan cara difusi. Biasanya terhadap permukaan material ferrous, pada suatu temperatur tertentu di mana telah terbentuk fase ferrite secara lengkap. Oleh karena itu tujuan dari proses nitrocarburizing pada steinless
steel 304 adalah untuk memasukkan unsur nitrogen dan
karbon ke dalam permukaan SS 304. Tujuan utama dari perlakuan ini adalah untuk meningkatkan karakteristik
anti gores dari komponen-komponen teknik, dengan cara menambahkan suatu senyawa pada permukaannya, se-hingga permukaan itu memiliki sifat ketahanan keausan atau ketahanan gesekan.
Nitrocarburizing dilakukan pada banyak komponen
teknik seperti textile machinery gears, pump cylinder
blocks, nozzles, dan lain-lain di mana diperlukan sifat
ta-han aus, sedangkan pada crank-shaft dilakukan proses
Gambar 2. Mesin DC-Plasma Nitrocarburizing.
Setelah dilakukan treatment surface harderning
nitrocarburizing sesuai parameter yang telah ditentukan,
maka perlu dilakukan pendinginan sampel dengan cara didiamkan dengan suhu ruang (quenching). Setelah sampel dinitrocarburizing, sampel diuji kekerasan-
mikronya menggunakan alat Hardness Vickers dan diamati struktur mikro dan komposisi kimianya menggunakan SEM/Optical Microscope dan EDS.
III. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Uji Kekerasan
Tabel 1 merupakan perhitungan penjejakan dan Tabel 2 data hasil dari uji kekerasan. Uji kekerasan yang dipakai adalah uji kekerasan Vickers (HV) menggunakan alat
Microhardness Tester. Hasil dari uji kekerasan ini adalah
hasil uji dari sampel awal dan sampel-sampel setelah mengalami proses nitrocarburizing pada temperatur 400 °C dengan waktu perlakuan 1 jam, 2 jam, 3 jam, 4 jam, dan 5 jam. Pengujian dilakukan dengan dengan beban penjejakan 25 gf dan waktu penjejakan 5 detik.
Tabel 1. Diagonal Penjejakan.
Sampel Titik 1 (µm) Titik 2 (µm) Titik 3 (µm) Titik 4 (µm) Titik 5 (µm)
d1 d2 d1 d2 d1 d2 d1 d2 d1 d2 Awal 14,26 14,32 17,12 17,16 16,75 16,81 16,34 16,38 16,65 16,69 Jepang 12,82 12,78 11,31 11,35 11,65 11,69 11,81 11,79 13,06 13,10 A (1 jam) 16,05 16,07 15,37 15,41 15,78 15,76 15,91 15,95 15,59 15,57 B (2 jam) 14,63 14,57 14,77 14,77 15,75 15,81 16,38 16,36 15,47 15,45 C (3 jam) 12,44 12,40 13,05 13,11 13,21 13,19 12,46 12,42 12,68 12,62 D (4 jam) 12,03 11,09 12,26 12,28 12,44 12,44 11,99 11,93 12,20 12,24 E (5 jam) 11,94 11,98 12,20 12,22 11,67 11,63 11,65 11,61 11,91 11,95 Diagonal (d) yang digunakan dalam perhitungan adalah rata-rata diagonal yang diukur terhadap diagonal horisontal dan diagonal vertikal pada masing-masing titik.
Tabel 2. Kekerasan HVN. Sampel HV Titik 1 HV Titik 2 HV Titik 3 HV Titik 4 HV Titik 5 HV Rata-rata Awal 227,1 158,8 164,6 173,2 166,7 177,88 Jepang 283,1 360,8 340,1 332,6 271,1 317,54 A (1 jam) 179,8 195,6 186,4 182,7 190,9 187,08 B (2 jam) 217,3 212,5 186,1 172,9 194,0 196,56 C (3 jam) 300,7 271,1 266,2 299,5 289,5 285,40 D (4 jam) 321,5 307,8 299,6 324,1 310,5 312,70 E (5 jam) 324,1 310,8 341,6 342,8 325,5 328,96
Gambar 3. Grafik performa kekerasan sampel awal, Jepang dan E.
Dari Tabel 2 terlihat sampel A,B,C,D, dan E menga-lami kenaikan kekerasan (HV) rata-rata yang proporsional terhadap waktu treatment surface harderning sesuai parameter yang digunakan. Bahkan pada sampel E mampu melampaui kekerasan rata-rata sampel produk
Jepang seperti ditunjukkan pada Gambar 3. Kekerasan rata-rata sampel E dengan waktu 5 jam adalah sebesar
328,96 kgf/mm2, dan untuk kekerasan rata-rata produk
Jepang sebagai pembanding adalah sebesar 317,54
Hasil Uji Scanning Electron Microscope (SEM)
Pengamatan struktur mikro dilakukan dengan Scanning
Electron Microscope, kemudian hasil struktur micro di
foto dengan pembesaran 3000 kali setelah mengalami proses nitrocarburizing pada suhu 400 °C dengan waktu 1 jam, 2 jam, 3 jam, 4 jam, dan 5 jam. Hasil pengamatan ini dapat di lihat pada Gambar 4.
Pada penampakan struktur mikro pada sampel A dengan perbesaran 3000 kali didapatkan struktur mikro material yang memiliki matriks terdiri dari ferrite,
austenite, dan perlite. Ferrite ditandai dengan warna ge-
lap, dan memiliki tingkat kekerasan rendah. Austenite yang ditandai dengan warna terang (putih) dan memiliki tingkat kekerasan tinggi, serta perlite yang ditandai de- ngan warna kecoklatan dan memiliki tingkat kekerasan yang sedang. Posisi ferrite, austenite, dan perlite tampak
seperti pada Gambar 4a. Pada gambar tersebut permukan
ferrite dan perlite lebih mendominasi dibanding austenite.
Pada penampang struktur mikro pada sampel B seperti terlihat pada Gambar 4b matriks yang terlihat adalah
ferrite, austenite, dan perlite. Secara keseluruhan masih
didominasi oleh perlite, meskipun perlite masih perlu diuji secara pasti dengan alat SEM untuk mendapatkan hasil mikrostruktur yang lebih jelas. Matriks yang terbentuk pada pada sampel C bagian permukaannya didominasi oleh austenite seperti yang terlihat pada Gambar 4c, menunjukkan bahwa permukaan material tersebut semakin keras seiring lamanya waktu treatment
nitrocarburizing. Penampakan struktur mikro sampel D
pada Gambar 4d, menunjukkan bahwa semakin sedikit matriks ferrite dan perlite, sehingga semakin tinggi nilai HV yang diperoleh. Semakin banyaknya matriks austenite yang terbentuk semakin keras permukaannya.
(a) (b) (c)
(d) (e)
Gambar 4. Penampang struktur mikro sampel (a) A, (b) B, (c) C, (d) D, (e) E dengan perbesaran 3000 kali.
Matriks yang terbentuk dari sampel E seperti terlihat pada Gambar 4e mengalami treatment nitrocarburizing selama 5 jam, menunjukkan bahwa matriks yang terbentuk semakin banyak austenite dan terlihat lebih homogen dari struktur sebelumnya yang lebih didominasi perlite. Hal inilah yang menyebabkan tingkat kekerasan pada sampel E memiliki nilai HV yang tertinggi.
Hasil Uji Energy Dispersive Spectroscopy (EDS)
Gambar 5 menunjukkan posisi pengujian EDS pada sampel A. Pengujian dilakukan pada surface layer dan
base material. Hasil yang diperoleh digunakan untuk
komparasi konsentrasi komposisi kimia pada surface layer dan base material. Konsentrasi atom karbon (C) pada lapisan permukaan meningkat bila dibandingkan dengan konsentrasi karbon (C) pada base material. Hal ini membuktikan bahwa perlakuan pengerasan permukaan menggunakan metode plasma nitrocarburizing mampu mendifusikan atom karbon di permukaan sampel A sam- pai sampel E sehingga kekerasan pada permukaannya meningkat.
Gambar 5. Penampang penempatan posisi pengujian EDS
untuk sampel A.
Dari hasil pengujian kekerasan, pengamatan struktur mikro dan grafik analisis komposisi kimia berdasarkan jumlah yang dapat diukur dan dihitung, plasma
nitrocarburizing dengan waktu 1 jam, 2 jam, 3 jam, 4 jam,
dan 5 jam dengan temperatur suhu 400 °C, terlihat bahwa pengaruh waktu mempengaruhi jumlah konsentrasi karbon
yang berdifusi ataupun terdeposisi pada permukaan spesimen uji material roda gigi, dan matriks austenite yang terbentuk semakin banyak dan semakin homogen sehingga semakin besar tingkat kekerasannya. Hal ini sesuai hukum Fick bahwa laju konsentrasi atom-atom karbon ke dalam material proposional dengan gradien konsentrasi dan koefisien difusi. Ketebalan konsentrasi atom karbon yang terdifusi ke dalam material proposional terhadap akar koefisien difusi kali waktu, sedangkan kofisien difusi
proposional terhadap koefisien difusi awal kali
eksponensial aktivasi energi dibagi konstanta Boltzmann kali temperatur. Dari grafik komposisi kimia di surface material (Gambar 6 dan 7), konsentrasi karbon pada waktu 1 jam adalah 10,3% (Gambar 6), sedangkan pada waktu 5 jam adalah 12,1% (Gambar7). Hal itu menunjukkan adanya kenaikan konsentrasi atom karbon,
jika waktu proses nirocarburizing dinaikkan.
Gambar 6. Grafik analisis kualitatif plasma nitrocarburizing
selama 1 jam.
Gambar 7. Grafik analisis kualitatif plasma nitrocarburizing
selama 5 jam.
Dari grafik komposisi kimia tidak terlihat komposisi nitrogen karena perbandingan yang di gunakan adalah 3:1 di mana komposisi karbon yang lebih dominan dibanding nitrogen. Dari percobaan dapat juga dilihat bahwa setelah sampel dinitrocarburizing pada 400°C, selama 5 jam, kekerasan permukaannya menjadi 328,96 HV. Padahal kekerasan sampel awal 177,88 HV. Dengan demikian kualitas material roda gigi lokal dapat ditingkatkan sesuai dengan buatan Japan (317,54 HV), dengan cara dinitrocarburizing pada 400 °C selama 5 jam.
IV. KESIMPULAN
Material roda gigi buatan lokal Indonesia telah diteliti dan ditingkatkan kualitasnya dengan menggunakan alat
DC plasma nitrocarburizing buatan BATAN,
Yogya-karta. Penelitian ini menggunakan waktu treatment yang beravariasi 1-5 jam dan dengan pemanasan 400 °C. Pengujian kekerasan dengan menggunakan alat uji kekerasan Vickers, sedangkan pengamatan struktur mikro menggunakan alat SEM dan EDS. Hasilnya menunjukkan bahwa kekerasan sampel awal adalah
177,88 HV, sedangkan sampel lokal yang
dinitrocarburizing pada temperatur 400 °C, selama 5 jam, kekerasannya adalah 328,96 HV. Hal ini sudah melebihi kekerasan material roda gigi buatan Jepang yaitu 317,54 HV. Jadi jika roda gigi buatan Indonesia, ingin kualitasnya sama dengan kualitas produk Jepang,
maka harus diperkeras permukaannya, dengan
menggunakan alat buatan Indonesia sendiri yaitu DC
plasma nitrocarburizing pada temperatur 400 °C,
selama 5 jam. Karena roda gigi adalah komponen elemen mesin yang selalu mengalami gesekan, selama dia digunakan, supaya tidak gompel atau rusak, maka permukaannya harus ditingkatkan ketahanan ausnya
dengan peningkatan kekerasannya. Alat untuk
mengeraskan permukaan ialah DC plasma
nitrocar-burizing.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Kepala Pusat Sains dan Teknologi Askselerator (PSTA)-BATAN, Yogyakarta yaitu Bapak Dr. Susilo Widodo, kepada Bapak Drs. B.A. Tjipto Sujitno, MT, Bapak Sayono, ST, Ibu Wiwien Andriyanti, MT, dan seluruh staf di laboratorium Fisika
Partikel PSTA-BATAN Yogyakarta yang telah
memfasilitasi peralatan dan membantu dalam penelitian hingga terselesainya penulisan ini.
PUSTAKA
[1] S. Ben Slima, (2012). Ion and Gas Nitriding Applied to
Steel Tool for Hot Work X38CrMoV5 Nitriding Type: Impact on the Wear Resistance. Materials Sciences and
Applications, 3, 640-644. http://dx.doi.org/10.4236/ msa.2012.39093
[2] N. St. J. Chabert, Pascal & Braithwaite (2011). Physics of
Radio-Frequency Plasmas. United Kingdom: Cambridge
University Press.
[3] Lars Holm, Torsten & Sproge, (tanpa tahun) Furnace
Atmospheres 3 Nitriding and Nitrocarburizing, Swedia:
AGA AB, S-181 81.
[4] Kang Imam, (2010, 12 Desember). Roda Gigi (Gear), http://manufakturpolman.blogspot.co.id/2010/12/roda-gigi-gear.html
[5] William D. Callister Junior, (2007). Materials Science and
Engineering : An Introduction 7th Ed., USA:John Wiley &
[6] Mitsuharu Konuma, (1992). Film Deposition by Plasma
Techniques. Heidelberg: Springer-Verlag
[7] Kosmac, Alenka & Brussels (2015). Surface Hardening
of Stainless Steels 2nd Ed., Brussels: Euro Inox
[8] John R. Reitz, dkk, (1993). Dasar Teori Listrik Magnet. Bandung: ITB Press
[9] R.M.L. Susita, B. Siswanto, I. Aziz , H.A. Anggraini, Sudjatmoko (2016). Effect of Nitrogen Ion Dose On the
Corrosion Resistance, The Microstructure and The Phase Structure of The Biomaterial Austenitic Stainless Steel 316L. Ganendra Journal of Nuclear Science and Technology, 19, 47-54.
[10] Widdi Usada (2010). Perhitungan Kerapatan Ion Nitrogen Pada Pembentukan Ion FeN Dalam Proses Nitridasi, Jurnal Iptek Nuklir Ganendra, 14, 41-46.
