diimplantasikan pada permukaan substrat, dengan proses dilakukan

Ringkasan
Baja tahan karat martensitik AISI 410 digunakan secara luas untuk berbagai peralatan industri maupun peralatan medis. Sifat tahan karat baja AISI 410 dapat ditingkatkan dengan memberikan perlakuan permukaan, salah satunya dengan implantasi ion. Implantasi ion pada permukaan memiliki keunggulan, yaitu proses dapat dilakukan pada temperatur rendah, kedalaman penetrasi dapat diatur dan tidak menyebabkan distorsi. Tujuan penelitian ini untuk mengetahui pengaruh
implantasi ion TiN terhadap laju korosi baja tahan karat AISI 410. Proses perlakuan implantasi ion menggunakan implantor ion milik BATAN Yogyakarta. Bahan yang diimplantasikan adalah TiN dalam bentuk bubuk, diimplantasikan dengan energi 100 Kev dan arus 10 μA. Sampel dari bahan baja tahan karat AISI 410 dibubut sehingga memiliki diameter 14 mm dan tebal 3 mm. Material diampelas, dipoles, dan dibersihkan dengan ultrasonic cleaner dan selanjutnya dimplatasikan dengan lima variasi waktu, yaitu 1, 2, 3, 4 dan 5 jam. Sampel yang telah diimplantasi, selanjutnya dilakukan uji korosi dengan alat Potensiostat PGS 201T dalam media NaCl 0,9%. Dari pengujian korosi diperoleh hasil bahwa laju korosi raw material sebesar 3,58 mm / year menunjukkan kecenderungan menurun hingga mencapai terendah yaitu 2,34 mm / tahun, yang diperoleh pada waktu implantasi antara 3 dan 4 jam. Implantasi ion dengan waktu 3 dan 4 jam menunjukkan hasil hampir sama, yaitu masing-masing 2,35 dan 2,34 mm / year. atau dapat dikatakan bahwa laju korosi baja tahan karat AISI 410 yang diberi implantasi ion TiN mengalami penurunan laju korosi sebesar 34,64%. Penambahan waktu implantasi melebihi waktu optimalnya memberikan kecenderungan laju korosi meningkat kembali.
Kata Kunci: Implantasi ion, TiN, Laju korosi

1. PENDAHULUAN
Material untuk berbagai aplikasi industri harus memenuhi sifat yang sesuai dengan lingkungan
kerjanya. Sifat-sifat yang diperlukan tersebut diantaranya: kekuatan, tahan aus, tahan korosi, fatik,

dan sifat yang diperlukan lainnya. Berbagai upaya terus dikembangkan sampai saat ini untuk
memperoleh sifat material yang baik. Upaya memperbaiki sifat material dapat dilakukan dengan
teknik perlakuan panas atau teknik deposisi lapisan pada permukaan.
Deposisi lapisan pada permukaan dilakukan dengan teknik physical Vapour deposition (PVD) atau chemical Vapour deposition (CVD). Menurut Dobrzansky dkk, 2007, topografi lapisan permukaan yang dideposisikan dengan teknik PVD lebih kuat jika dibandingkan dengan teknik CVD. Deposisi dengan teknik PVD dapat memperbaiki sifat kekerasan material, tahan korosi, dan roughness pada permukaan. Salah satu teknik pelapisan PVD adalah implantasi ion. Kartikasari dkk, 2001, menyatakanbahwa teknik implantasi ion merupakan modifikasi permukaan logam, dimana prosesnya dapat dilakukan dalam waktu cepat, tidak menyebabkan perubahan dimensi, bebas dari kontaminasi, pembentukan paduan tidak tergantung pada batas kelarutan padat dan konstanta difusi, kedalaman penetrasi dapat diatur secara akurat dengan mengendalikan tegangan
pemercepat ion. Implantasi ion pada dosis optimal dapat memperbaiki sifat tahan korosi, akan tetapi
peningkatan dosis melebihi batas optimalnya justru akan meningkatkan laju korosinya (Sundaranajan dan Praunseis, 2004). Lapisan keras pada permukaan harus mencapai tebal kritis tertentu, karena jika
kurang dari tebal kritisnya, lapisan keras tersebut akan menghasilkan lobang atau pori sehingga menyebabkan korosi galvanik, sedangkan jika terlalu tebal akan menyebabkan inisiasi retak (Perillo,
2006). Dalam bidang medis, implantasi ion banyak diterapkan pada peralatan ortopedi dan ortodontik
maupun peralatan lainnya. Implantasi ion pada peralatan medis digunakan untuk memperbaiki sifat
fatik, tahan korosi, mengurangi pengaruh kontaminasi antara alat dengan darah, dan untuk
memperbaiki sifat tribologinya (Adamus, 2007). Baja tahan karat martensitik AISI 410 digunakan
secara luas dalam berbagai aplikasi industri, seperti: steam valve, water valve, pompa, turbin, komponen kompresor, poros, alat potong, peralatan bedah, bearing, plastic mould dan perlengkapan industri kimia (Krishna and Bandyopadhyay, 2009). Baja AISI 410 dalam bidang medis digunakan sebagai cutting instruments dan non cutting instruments, (ASTM F 899-02, 2006) Logam transisi berbasis nitrida seperti TiN banyak digunakan sebagai bahan pelapis karena bersifat keras, koefisien gesekan rendah, tahan aus dan tahan korosi sehingga dapat meningkatkan umur material (Shah dkk, 2010); (Chang dkk, 2009). Penelitian ini akan mengamati pengaruh implantasi ion TiN terhadap sifat tahan korosi baja tahan karat martensitik AISI 410.

2. DASAR TEORI
a. Implantasi Ion
Implantasi ion adalah modifikasi permukaan dengan menggunakan energi tinggi dari ion yang akan diimplantasikan pada permukaan substrat, dengan proses dilakukan dalam ruang hampa (sampai 10-6 torr).

Pada permukaan substrat di bombardir dengan ion-ion, seperti di tunjukan pada gambar 1. implatansi ion pada permukaan logam mampu merubah sifat: mikro, aus, fatik, kekerasan oksidasi dan korosi.
Kedalam penetrasi rata- rata lapisan implatansi ion merupakan fungsi energi ion, massa atom, jumlah atom material substrat, dan sudut datang. Dalam proses implatansi ion, berkas ion berernergi tinggi akan berinteraksi dan bertumbukan dengan bahan target sehingga atom atom target tersebut akan bergeser atau terpental sehingga akan merusak struktur bahan tersebut. Atom - atom yang pertama kali terpental akan meninju / mendesak atom - atom target tetangganya kali terpental akan meninju / mendesak atom pergeseran atom atom tersebut dari asalnya  Setiap kali tumbukan akan kehilangan energi, sehingga pada suatu saat atom  kehabisan energi dan  ruang kosong yang ditinggalkan atom
Demikian juga ion akan kehilangan energi dan berhenti menempati ruang antara atom atom-atom bertambah, dan hal ini akan meningkatkan daya tahan material target tersebut.
Implantasi ion dengan kedalaman kurang dari 1 pM dengan dosis berkisar antara interval 2 sampai 6 x 1017 ion / cm Kev. Untuk kedalaman penetrasi lapisan sekitar 5 pM diperlukan energi implantasi sekitar 1 sampai 10 MeV. Gambar 3: Akselerator implantasi Ion Kedalaman penetrasi dari ion dopan di dalam material dinyatakan sebagai jangkauan terproyeksi ion Rp. Jangkauan terproyeksi ion menyatakan jarak atau kedalaman penetrasi rataterhadap permukaan material target. Jangkauan terproyeksi ion R ditentukan dengan Pada Targe t ion-ion yang masuk kedalam target atom-atom target sehingga kerapatan ningkatkan 2 dilakukan dengan energi 50 sampai 100 Kedalaman penetrasi dari ion dopan di dalammaterial dinyatakan sebagai jangkauan terproyeksiion Rp. Jangkauan terproyeksi ion menyatakan jarakatau kedalaman penetrasi rata terhadap permukaan material target. Jangkauan terproyeksi ion R ditentukadengan
Pada Target ion-ion yang masuk kedalam target atom-atom target sehingga kerapatan ningkatkan 2 dilakukan dengan energi 50 sampai 100 (Sinha, 2003) Rp dalam material target dapat atom-atom tersebut akan akhirnya akan menempatirata-rata dari ion relatif
Implantasi ion dilaksanakan dalam beberapa tahap. Tahap pertama adalah memisahkan massa spesifik dari atom terionisasi dari sumber ion dalam ruang hampa. Tahap kedua adalah mempercepat ion ke target oleh tegangan bias. Ion-ion menumbuk permukaan target ke substrat dengan energi tinggi. Ion-ion menempel ke permukaan substrat ketika tegangan bias dibawah 0,5 Kev. Bila tegangan bias antara 0,5-1 Kev akan terjadi sputtering. Untuk energi tinggi (1-100 Kev) akan terjadi implantasi ion. Hasilnya ion-ion terpenetrasi ke permukaan substrat dengan kedalaman dalam orde ratusan Angstrom dari permukaan (Wagiyo dan Wulan, 2008). b. Dosis Implantasi Ion dosis ion adalah banyaknya ion yang mengenai permukaan target per satuan luas, sering disebut sebagai berkas ion (ion / cm2). Jumlah ion yang masuk dalam suatu target akan tergantung pada besaranya berkas arus ion dan waktu implantasi. Dalam prakteknya dosis ion diperoleh dengan dua metode yaitu dengan memvariasikan besarnya arus ion sementara waktunya dibuat tetap atau waktu proses implantasi divariasi dan berkas arus ion dibuat tetap. Dosis implantasi ion dinyatakan dengan persamaan (Wen, dkk., (2007):? ??? ! ?? "#?! ?? $?! ??% .. (3) dengan: D = dosis ion per satuan luas (ion / cm2) I = arus berkas (Amper) t = waktu implantasi (detik) q = charge state (+1, +2, ...) e = muatan elektron (1.602 x 10-19 coulomb) A = luas berkas ion (12,57 cm2)  Kedalaman implantasi ion
dengan: dengan? 2? 34! 5?! &? 6Korelasi luasan dinyatakan dengan ??? 2Korosi yang disebabkan karena reaksi dengan lingkungan, b. Dosis Implantasi IonDosis ion adalah banyaknya ion yang mengenaipermukaan target per satuan luas, sering disebutJumlah ion yang
masuk dalam suatu target akan tergantung padabesaranya berkas arus ion dan waktu implantasi.
Dalam prakteknya dosis ion diperoleh dengan dua
metode yaitu dengan memvariasikan besarnya arusion sementara waktunya dibuat tetap atau waktu
proses implantasi divariasi dan berkas arus ion dibuattetap. Dosis implantasi ion dinyatakan dengan
persamaan (Wen, dkk., (2007):

dengan:
D = dosis ion per satuan luas (ion / cm2)
I = arus berkas (Amper)
t = waktu implantasi (detik)
q = charge state (+1, +2, ...)
e = muatan elektron (1.602 x 10-19 coulomb)
A = luas berkas ion (12,57 cm2)

Kedalaman implantasi ion
&? ??? & '(?)? *? +, -.
/ +? / 0? *? 1 0,75. (4)
dengan:
? 2? = Luas permukaan kontak ideal, dinyatakan
dengan? 2? 34! 5 ?! &? 6
Korelasi luasan dinyatakan dengan ??? 2
c. Korosi
Korosi didefinisikan sebagai kerusakan material

yang disebabkan karena reaksi dengan lingkungan

(Fontana and Greene, 1984). Laju korosi ditentukan
dengan (Jones, 1992):
7? 8! 93: ?? (?! 2; <==
> !? . . (5)
Dimana:
r = laju korosi (mpy)
a = berat atom
Icorr = arus korosi (μA / cm2)
n = elektron valensi
D = densitas (gr / cm3)
3. METODOLOGI
a. Bahan Penelitian
Bahan penelitian yang digunakan adalah pupuk
stainless martensitik AISI 410. Komposisi kimia
bahan yang akan diimplantasi sebagai berikut (dalam
% Berat): 0,12 C; 0,34 Si; 0,03 S; 0,02 P; 0,43 Mn;
0,21 Ni; 12,83 Cr; 0,03 Mo; 0,06 Cu; 0,01 W; 0,01
Sn; 0,01 Ca; 0,02 Zn; dan 85,90 Fe. Selubung
adalah TiN dalam bentuk bubuk.
b. Proses Implantasi
Baja AISI 410 dibubut dengan mesin bubut
menjadi spesimen dengan diameter 14 mm dan tebal
3 mm. Material dipoles dengan kertas ampelas
silikon karbida mulai grid 400, 600, 800, 1000, 1200,
1500 sampai 2000, selanjutnya dibersihkan dengan
alkohol 70% untuk menghilangkan kotoran dan
minyak yang menempel pada permukaan spesimen.
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
Gambar 4: Mesin Implantasi Ion
(Batan Yogyakarta)
Proses implantasi ion TiN dilakukan dengan
alat implantor ion yang berada di Pusat Teknologi
Akselerator dan Proses Baja (PTAPB) -BATAN
Yogyakarta. Sampel baja AISI 410 ditempatkan dan
tempat target, dalam kondisi vakum sebesar 10-5
mbar. Energi dan arus ion yang digunakan dibuat
tetap 100 Kev dan 10 μA, sedangkan waktu
implantasi divariasaikan berturut-turut 1, 2, 3, 4 dan
5 jam.
c. Uji Korosi
Uji korosi menggunakan metode
potensiostat / galvanostat PGS 201 T dengan tegangan
- 2000 mV sampai + 2000 mV dan rentang arus 200

μA sampai 2 A. Media korosi menggunakan larutan

NaCl 0,9%. Laju korosi ditentukan dengan
persamaan (Jones, 1992):
r = 0,129 (EW x icorr) / D (6)
dengan:
r = laju korosi (mpy)
EW = berat ekuivalen
icorr = arus korosi (μA / cm2)
D = densitas (g / cm3)
Jika dinyatakan dalam milimeter per tahun
(mm / year), maka jumlah 0,129 pada Persamaan 6
diganti dengan 0,00327. Berat ekuivalen (EW)
dihitung sebagai berikut:
EW = (NEQ) -1. . . (7)
NEQ =? @ A (B BC> BD = ?? AB> B
(B?. (8)
dengan:
fi, = fraksi massa atom
ni, = elektron valensi
ai = massa atom
Untuk menentukan arus korosi (icorr), maka
diambil dari hasil pegujian berdasarkan diagram
Tafel, seperti pada Gambar 5.?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
Gambar 5: Diagram Tafel
d. Uji Kekerasan
Pengujian kekerasan menggunakan skala
mikrohardness Vickers, dengan beban 10 gf dengan
lama indentasi 10 detik. Kekerasan Vickers dapat
dicari dengan rumus:
VHN =
2
(din)
1,854P
(Kg / mm2). . . (9)
dengan:
P = beban (kg)
din = diagonal rata-rata bekas injakan (mm).
4. HASIL
Uji kekerasan mikrohardness mununjukkan
hasil bahwa kekerasan permukaan semakin
meningkat hingga mencapai angka maksimum, yaitu
pada waktu implantasi 3 jam. Angka kekerasan
mikrohardness sebesar 318,5 HVN.
Gambar 6: Hubungan Waktu Implantasi TiN dengan
Kekerasan Baja Tahan Karat AISI 410
Gambar 6 memperlihatkan bahwa kekerasan
meningkat untuk lama implantasi naik dari 1 sampai
3 jam, dan selanjutnya kekerasannya menurun bila
lama implantasi lebih besar dari 3 jam.
Distribusi laju korosi ditunjukkan pada Gambar
7. Semakin lama waktu implantasi, laju korosi
memiliki kecenderungan menurun hingga mencapai
harga optimalnya yaitu pada waktu implantasi 3 jam,
semakin lama waktu implantasi laju korosi
menunjukkan kecenderungan meningkat kembali.
Gambar 7: Pengaruh Implantasi Ion TiN Terhadap
Laju Korosi Baja Tahan Karat AISI 410
5. PEMBAHASAN
Gambar 6 menunjukkan hubungan antara waktu
implantasi ion TiN dengan kekerasan baja AISI 410.
Peningkatan waktu implantasi ion dapat
meningkatkan kekerasan baja AISI 410 sampai
mencapai optimalnya pada waktu implantasi 3 jam,
dengan kekerasan mencapai 318,5 HV atau
meningkat 52,25% dibandingkan kekerasan raw
material. Penambahan waktu implantasi tidak dapat
meningkatkan kekerasan baja AISI 410 kembali,
karena proses difusi mengalami kejenuhan.
Gaguk Jatisukamto, Viktor Malau, M Noer Ilman, Priyo Tri Iswanto / Jurnal Ilmiah Teknik Mesin ?????? Vol. 5 No.1. April 2011
(14-19)?
18?
?
Hubungan antara waktu implantasi dengan laju
korosi ditunjukkan pada Gambar 7. Hubungan antara
waktu implantasi dengan laju korosi menunjukkan
kesesuaian dengan grafik hubungan antara kekerasan
dengan waktu implantasi. Peningkatan waktu
implantasi akan menurunkan laju korosi sampai
mencapai harga optimalnya. Penurunan laju korosi
mencapai harga optimal sekitar 2,34 mm / year, atau
dapat meningkatkan ketahanan korosi baja AISI 410
sebesar 34,36% dan terjadi pada waktu implantasi
antara 3 dan 4 jam, karena keduanya memberikan
harga yang sama, yaitu 2,35 dan 2,34 mm / year.
Peningkatan waktu implantasi selanjutnya akan
meningkatkan laju korosinya lagi.
Peningkatan ketahanan korosi sebesar 34,36%
pada baja tahan karat AISI 410 diperoleh pada saat
material implan titanium nitrida pada dosis ion
optimal. Pada dosis ini jumlah ion yang
diimplantasikan akan efektif masuk ke dalam target.
Selanjutnya peluang ion dopan untuk menempati
celah semakin besar dan semakin besar pula
kemungkinan ion-ion dopan untuk terdistribusi
secara merata. Terdistribusinya secara merata ion-ion
dopan akan menyebabkan susunan atom-atom target
menjadi erat. Dengan demikian kondisi ini akan
menambah daya lekat dari lapisan pelindung yang
melindungi logam dibawahnya dari kontak dengan
elektrolit pengkorosi, sehingga dapat menurunkan
laju korosinya.
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan
ternyata dengan adanya implantasi ion TiN dosis
tertentu pada baja tahan karat martensitik AISI 410
secara keseluruhan dapat menurunkan laju korosi
material. Peningkatan dosis diatas harga optimalnya
sudah tidak efektif menurunkan laju korosi. Oleh
karena itu teknik implantasi ion titanium nitride
(TiN) dapat meningkatkan ketahanan korosi baja
stainless martensitik AISI 410.
6. KESIMPULAN
1. Implantasi ion Titanium nitrida pada baja tahan
karat martensitik AISI 410 dapat menyebabkan
perubahan sifat ketahanan korosinya.
2. Baja tahan karat martensitik AISI 410 yang telah
diimplantasi ion titanium nitrida mengalami
peningkatan ketahanan korosi sebesar 34,36%
atau sekitar 2,34 mm / tahun, dengan media
pengkorosi NaCl 0,9%, dibandingkan baja tahan
karat AISI 410 yang tidak diimplantasi. Kondisi
ini terjadi pada dosis 7,5 x 1017 ion / cm2 dan
energi ion 100 Kev dan arus 10 μA, dengan laju
korosi 2,34 mm / year.
DAFTAR PUSTAKA
1. Adamus, J., 2007, "Forming of Titanium
Implants and Medical Tools by Metal
Working ", Archieves of Materials Science
and Engineering, Vol. 28, Issue 5, pp. 313-
316
2. ASTM Standards, 2006, "Medical and
Surgical Material and Devices; Anesthetic
and Respiratory Equipment;
Pharmaceutical Application of Process
Analytical Technology ", Vol. 13.01
3. Chang, C, L., Lee, J, W., Tseng, M, D.,
2009, "Microstructure, Corrosion and
Tribological Behaviors of TiAlSiN Coatings
Deposited by Cathodic Arc Plasma
Deposition ", Thin Solid Films 517, pp.
5231-5236
4. Dobrzanski, L, A., Lukaszkowicz, K.,
Pakula, D., Mikula, J., 2007, "Corrosion
Resistance of multilayer and Gradient
Coatings Deposited by PVD and CVD
Techniques ", Archieves of Materials
Science and Engineering, Vol. 28, Issue 1,
pp. 12-18
5. Fontana, M, G., Greene, N, D., 1984,
"Corrosion Engineering", McGraw Hill,
Singapore.
6. Jones, D, A., 1992, "Principles and
Prevention of Corrosion ", MacMillan
Publishing Company, New York
7. Kartikasari, K., Soekrisno, Sudjatmoko,
2001., "Studi Pengaruh Implantasi Ion
Karbon Terhadap Kekerasan Permukaan
Baja AISI 1040 ", Media Teknik, No. 2,
Tahun XXIII
8. Krishna, BV, Bandyopadhyay, A, 2009,
"Surface Modification of AISI 410 Stainless
Steel Using Laser Engineered Net Shaping
(LENSTM) ", Materials and Design 30 pp.
1490-149
9. Lukaszkowicz, K., Dobrzansky, L, A.,
Pancielejko, M., 2007, "Mechanical
Properties of the PVD Gradient Coatings
Deposited onto the Hot Work Tool Steel
X40CrMoV5-1 ", Journal of Achievement in
Materials and Manufacturing Engineering ",
Vol. 24, Issue 2, pp. 115-118
10. Perillo, P, M., 2006, "Corrosion Behavior
of Coatings of Titanium Nitride and
Titanium-titanium Nitride on Steel
Substrates ", Corrosion, Vol. 62, No. 2, pp.
182-185
11. Podgornik, B., Vizintin, J., 2003, "Tribology
of Thin and Their Use in the Field of
Machine Element ", Vacuum, pp. 39-47.
12. Shah, H, N., Chawla, V., Jayaganthan, R.,
Kaur, D., 2010, "Microstructural
Characterizations and Hardness Evaluation
of dc reactive magnetron Sputtered CRN
Thin Films on Stainless Steel Substrate ",
Bulletin Material Science Vol. 33, No. 2,
pp. 103-110.
13. Suroso, I., Mudjijana., Suyitno, T., 2009,
"Pengaruh Implantasi ALN Terhadap Sifat
Fisis dan Mekanis Pada Bantalan Bola ",
Gaguk Jatisukamto, Viktor Malau, M Noer Ilman, Priyo Tri Iswanto / Jurnal Ilmiah Teknik Mesin ?????? Vol. 5 No.1. April 2011
(14-19)?
19?
?
Jurnal Mesin dan Industri, Volume 6, No. 1,
ISSN 1693-704X, pp. 37-46.
14. Sundaranajan, T., Praunseis, Z., 2004, "The
Effect of Nitrogen-Ion implantation on The
Corrosion Resistance of Titanium in
Comparison With Oxygen and Argon-Ion
Implantation ", Materiali in Technologije
38, pp. 19-24
15. Wagiyo, H., Wulan, P., 2008, "Pengaruh
Implantasi Ion Aluminium Terhadap
Ketahanan Korosi Suhu Tinggi Baja Corten,
Jurnal Sains Materi Indonesia, ISSN: 1411-
1098, pp. 115-119
??? Wen, FL, Lo, YL, Yu, Y, C., 2007,
"Surface Modification of SKD-61 Steel by
Ion implantation Technique ", JVST A, Vol.
25, No. 4, pp. 1137-1142?
?

LINK DOWNLOAD  Direct download