KAR HSS RAKTERIS S YANG D SASI SIFA DILAPISI Untu menc HE PROG JU FAKUL UNIV AT MEKA TiN DEN TUG uk memenu capai deraja di Te Diaj ERMAWAN 04 GRAM ST URUSAN LTAS SAI VERSITAS YOG i ANIS BAH GAN TEK GAS AKHIR uhi sebagai p at Sarjana T eknik Mesin jukan oleh : N AGUNG 45214040 UDI TEK TEKNIK INS DAN T S SANATA GYAKART 2009 HAN PAH KNOLOG R persyaratan Teknik Mesi n : WIJAYA KNIK MES K MESIN TEKNOL A DHARM TA HAT POTO GI SPUTTE n in SIN LOGI MA ONG BAJ ERING DC JA C
77
Embed
KAR AKTERISASI SIFAT MEKANIS BAH AN PAHAT POTONG …repository.usd.ac.id/29695/2/045214040_Full[1].pdf · Pahat potong baja HSS akan mengalami keausan jika digunakan secara terus-menerus.
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
KAR
HSS
RAKTERIS
S YANG D
SASI SIFA
DILAPISI
Untu
menc
HE
PROGJU
FAKULUNIV
AT MEKA
TiN DEN
TUG
uk memenu
capai deraja
di Te
Diaj
ERMAWAN
04
GRAM STURUSAN LTAS SAI
VERSITASYOG
i
ANIS BAH
GAN TEK
GAS AKHIR
uhi sebagai p
at Sarjana T
eknik Mesin
jukan oleh :
N AGUNG
45214040
UDI TEKTEKNIK
INS DAN TS SANATA
GYAKART2009
HAN PAH
KNOLOG
R
persyaratan
Teknik Mesi
n
:
WIJAYA
KNIK MESK MESIN
TEKNOLA DHARMTA
HAT POTO
GI SPUTTE
n
in
SIN
LOGI MA
ONG BAJ
ERING DC
JA
C
Mechanical Ch
P
MECME
S
aracteriza
Presented a
To O
HE
CHANICAECHANICSCIENCE
SANA
ation of th
using SA
as Partial Fu
Obtain the S
In Mechani
ERMAWAN
04
AL ENGINCAL ENGIE AND TEATA DHA
YOG
ii
he TiN Lay
Sputtering A THESIS
ulfillment o
Sarjana Tek
ical of Engi
By:
N AGUNG
45214040
NEERINGINEERIN
ECHNOLOARMA UN
GYAKART2009
yered Chis
DC
f the Requir
knik Degree
ineering
WIJAYA
G STUDY PNG DEPAROGY FACNIVERSITTA
sel HSS St
rements
e
PROGRARTMENT
CULTY TY
teel Mater
AM T
rial
vi
INTISARI
Pahat potong baja HSS merupakan pahat potong yang digunakan pada mesin-mesin
konvensional seperti mesin bubut. Pahat potong baja HSS akan mengalami keausan jika digunakan secara terus-menerus. Untuk memperbaiki salah satu sifatnya agar tahan aus dengan meningkatkan kekerasannya. Peningkatan kekerasan pahat potong baja HSS dapat dilakukan dengan teknik sputtering dc.
Kondisi optimal deposisi lapisan tipis TiN pada pahat baja HSS diperoleh dari pengujian sampel pahat yang telah divariasi suhu, waktu pelapisannya dan aliran gas reaktif nitrogen. Mesin sputtering dc dioperasikan pada tekanan tetap sebesar 1,8 x 10-1 torr, beda potensial sebesar 5 kV, arus sebesar 18 mA dan aliran gas sputter, gas argon sebesar 34,02 sccm. Setiap layer hasil deposisi lapisan tipis TiN dan pahat baja HSS mula-mula diuji kekerasannya menggunakan alat uji kekerasan knoop dengan beban penekanan sebesar 10 g. Kekerasan optimal dari pahat baja HSS yang telah dilakukan pengujian knoop dan pahat baja HSS mula-mula dapat dilakukan pengujian SEM dan EDS.
Hasil penelitian deposisi lapisan tipis TiN pada pahat potong baja HSS dengan pahat baja HSS mula-mula menunjukkan adanya peningkatan kekerasan dari kekerasan pahat baja HSS mula-mula sebesar 819 kg /mm2 menjadi 2182,26 kg /mm2 dengan kenaikan kekerasan sebesar 166 %. Pada pengujian SEM menunjukkan adanya pelapisan dan pengujian EDS menunjukkan adanya unsur Ti dan N di permukaan pahat baja HSS bila dibandingkan dengan pahat baja HSS mula-mula. Kata kunci : Sputtering, TiN, HSS
viii
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat
dan anugrah-Nya, sehingga Tugas Akhir ini dapat tersusun dan dapat terselesaikan
dengan lancar. Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat yang harus ditempuh
untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Fakultas Sains
dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
Dalam penulisan Tugas Akhir ini, penulis banyak mendapatkan bantuan
yang berupa dorongan, motivasi, doa, sarana, materi sehingga dapat
terselesaikannya Tugas akhir ini. Oleh karena itu penulis mengucapkan terima
kasih kepada semua pihak yang telah memberikan bantuannya, antara lain
1. Dr. Ir. P. Wiryono Priyotamtama, SJ., selaku Rektor Universitas Sanata
Dharma.
2. Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas
Sanata Dharma.
3. Budi Sugiharto, S.T., M.T, selaku ketua Program Studi Teknik Mesin.
4. I Gusti Ketut Puja, S.T., M.T selaku dosen Pembimbing Utama Tugas Akhir.
5. Kepala pimpinan Laboratorium Teknik Mesin PAU-UGM Yogyakarta atas
izinnya melakukan pengujian kekerasan knoop.
6. Kepala Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan BATAN Yogyakarta
atas ijinnya untuk melakukan penelitian.
7. Drs. B.A. Tjipto Suyitno, M.T., APU., selaku Kepala Kelompok Akselerator
yang telah memberi izin untuk melakukan penelitian di BATAN Yogyakarta.
ix
8. Ir. Wirjoadi, yang telah mengarahkan dan membimbing penulis didalam
penyusunan Tugas Akhir ini.
9. Pak Karmadi, yang membantu dan memberikan saran serta sebagai
pembimbing dilapangan selama penelitian di BATAN.
10. Pak Bambang, yang membantu memberikan saran dan dukungan selama
dilapangan hingga terselesainya penelitian.
11. Bapak Sutopo yang telah memberikan izin atas penggunaan Laboratorium
Teknik Mesin UNY.
12. Segenap staf karyawan yang ada di PTAPB-BATAN dan Universitas Negeri
Yogyakarta.
13. Segenap staf pengajar Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata
Dharma Yogyakarta yang telah mendidik dan memberikan ilmu pengetahuan
kepada penulis sehingga sangat berguna dalam penyelesaian Tugas Akhir ini.
Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan-kekurangan yang
perlu diperbaiki dalam penulisan Tugas Akhir ini, untuk itu penulis
mengharapkan masukan dan kritik, serta saran dari berbagai pihak untuk
menyempurnakannya. Semoga penulisan Tugas Akhir ini dapat bermanfaat, baik
bagi penulis maupun pembaca.
Terima kasih.
Yogyakarta, 28 Januari 2009
Penulis
x
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ......................................................................................... i
TITLE PAGE .................................................................................................... ii
LEMBAR PENGESAHAN PEMBIMBING .................................................. iii
LEMBAR PENGESAHAN .............................................................................. iv
LEMBAR PERNYATAAN .............................................................................. v
INTISARI .......................................................................................................... vi
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ………………vii
KATA PENGANTAR ....................................................................................... viii
DAFTAR ISI ...................................................................................................... x
DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... xiii
DAFTAR TABEL ............................................................................................. xv
BAB I PENDAHULUAN …………………………………………………. 1
I.1 Latar Belakang …………………………………………….…… 1
I.2 Batasan Masalah ………………….……………………… 4
I.3 Rumusan Masalah …………………………………………. 4
I.4 Tujuan Penelitian …………………………………………. 5
I.5 Batasan Masalah …………………………………………. 5
I.6 Manfaat …………………………………………………………. 6
BAB II TINJAUAN PUSTAKA………………………………………….... 7
II.1 Tinjauan Pustaka ………………………………………… 7
xi
II.2 Landasan Teori …………………………………………………. 8
II.2.1 Produksi Baja ………………….………….………….... 8
II.2.2 Sifat Baja ………………….………….………….... 9
II.2.3 Pengaruh Unsur-unsur Paduan Pada Baja ...……… 10
II.2.4 Jenis-jenis Baja ………………………………….……… 13
II.2.4.1 Baja Karbon ………….………….…………………. 13
II.2.4.2 Baja Paduan ………….………….………….……… 13
II.2.5 Pahat Bubut Baja HSS ………….………….…………. 14
II.2.6 Plasma ………….………….………….………….…… 16
II.2.7 Plasma Sputtering ………….………….…………. 17
II.2.8 Proses Pembentukan Lapisan Tipis TiN pada Baja HSS… 21
II. 2.9 Titanium Nitrida ………….………….…………. 23
II.2.10 Uji Kekerasan Knoop ………….…………………….. 25
II. 2.11 SEM & EDS ………….………….………….……… 25
BAB III METODE PENELITIAN …………………………………………. 29
III.1 Diagram Alir Penelitian ………………………………… 29
III.2 Persiapan Bahan & Peralatan Penelitian ………………… 30
III.2.1 Bahan-bahan Yang Digunakan ………….……… 30
III.2.2 Alat Yang Digunakan ………….………….…… 31
III.3 Preparasi Sampel …………………………………………. 34
III.4 Pelaksanaan Sputtering TiN pada Baja HSS ………………… 39
III.5 Karakterisasi ………………………………….……… 40
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ………………………………… 43
xii
IV.1 Hasil Uji Kekerasan …………………………………………. 43
IV.2 Hasil Uji SEM & EDS ………………….………….…... 48
IV.3 Kesulitan Penelitian …………………………………………. 54
BAB V KESIMPULAN & SARAN ……………………........................…… 56
f = besarnya beban penekanan, beban yang digunakan 10gf
d = diameter bekas injakan, dalam mikrometer ( )μ
Bentuk penumbuk Knoop yang khusus, memberikan kemungkinan membuat
lekukan yang lebih rapat dibandingkan lekukan vickers. Sehingga sangat
26
menguntungkan digunakan untuk mengukur kekerasan lapisan tipis hasil
sputtering.
2.2.11. SEM (Scanning Electron Microscopy) dan EDS (Energy Dispersive
Spectroscopy)
Apabila berkas elektron mengenai spesimen padat, maka akan terjadi
beberapa interaksi yang dapat memberikan keterangan struktur bahan tersebut.
Sebagian berkas elektron yang jatuh dihamburkan kembali dan sebagian lagi
menembus spesimen. Bila spesimen cukup tipis, sebagian besar elektron
ditransmisikan dan beberapa elektron dihamburkan secara elastis tanpa
kehilangan energi, sementara sebagian lagi dihamburkan secara tidak elastis.
Interaksi dengan atom dalam spesimen menghasilkan pelepasan elektron energi
rendah, foton sinar X dan elektron auger, yang semuanya dapat digunakan untuk
mengkarakterisasi bahan ( Smallman, 1999)
Untuk dapat memperoleh bentuk morfologi lapisan tipis pada bahan dapat
menggunakan SEM (Scanning Electron Microscopy), yaitu mikroskop yang
bekerjanya menggunakan berkas elektron untuk mendeteksi sasaran yang pada
hakekatnya merupakan pemeriksaan dan analisis permukaan. Gambar permukaan
yang diperoleh merupakan gambar topografi dengan gejala tonjolan dan lekuk
permukaan. Prinsip kerja dari perangkat SEM adalah menggunakan sinar yang
dihasilkan oleh elektron sekunder dan atom elektron terpantul akibat interaksi
elektron yang berasal dari filamen dengan elektron pada objek atau target.
27
Dengan cara berkas elektron yang dihasilkan oleh filamen diarahkan dari satu
titik ke titik yang lain pada objek. Gerakan berkas elektron dari satu titik ketitik
yang lain pada daerah objek seperti gerakan membaca, yang sering disebut
scanning. Gerakan scanning ditimbulkan oleh scanning coil sedangkan pantulan
dideteksi oleh fotomultiplier. (Sayono, 2000). Data-data sinyal tersebut yang
berasal dari suatu titik sampel ke titik yang lain diperkuat oleh video amplifier
dan selanjutnya setelah disinkronkan oleh scanning sirkuit digambarkan pada
layar CRT / Cathode Ray Tube. (Mardjono,1996)
Untuk mengetahui kandungan berbagai unsur kimia dalam lapisan tipis dapat
diamati dengan menangkap dan mengolah sinyal fluoresensi sinar X yang
dikeluarkan oleh suatu volume kecil dipermukaan lapisan tersebut. Teknik yang
dipakai dapat berupa EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) atau WDS
(Wavelength Dispersive Spectroscopy). Data yang diperoleh berupa spektrum
yang menunjukkan hubungan antara energi dan intensitas. Spektrum ini
dihasilkan dari penembakan berkas elektron pada target. Berkas elektron tersebut
akan menyebabkan eksitasi ke keadaan ground state. Energi yang dilepaskan
antara lain berupa sinar X. Setiap atom memiliki tingkat energi tertentu untuk
masing-masing orbit elektronnya, sehingga energi sinar-X yang dilepaskan juga
mempunyai nilai tertentu (karakteristik). Energi karakteristik sinar X inilah yang
menunjukkan komposisi kimia yang terkandung didalam lapisan tipis. Prinsip
kerja analisis unsur dengan menggunakan EDS (Energi Dispersive Spectroscopy)
28
adalah mendeteksi pendaran sinar X yang dipancarkan oleh unsur atom bahan
sasaran. Pendaran sinar X timbul sebagai akibat interaksi berkas elektron energi
tinggi dengan elektron-elektron dari atom sasaran, sehingga elektron tersebut
tereksitasi yaitu terlemparnya elektron dari orbit awal ke orbit yang energinya
lebih rendah sambil memancarkan energi yang diserap dalam bentuk sinar X. Dari
energi sinar X yang dipancarkan dapat diketahui jenis atom/ unsur yang
terkandung dalam bahan sasaran (Walla and Whilley, 1973)
29
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Diagram Alir Penelitian
Gambar 3.1: Diagram Alir Penelitian
Preparasi Sampel
Persiapan Bahan
Sputter TiN pada HSS HSS mula-mula
Mulai
1. Waktu deposisi (30, 60, 90, 120) menit
2. Suhu (150,200,250,300)˚C
3. Aliran N2(6,7,8)sccm
Sputter t, T, optimal
Uji kekerasan knoop
SEM
EDS
Selesai
Nilai kekerasan mula-mula
1. Nilai kekerasan t, T optimal 2. Nilai kekerasan t, T, N2 optimal
1 & 21 & 2
2
1
3
1
3
2
30
3.2 Persiapan Bahan dan Peralatan Penelitian
3.2.1 Bahan-bahan yang digunakan didalam penelitian, antara lain :
a. Pahat Bubut Baja HSS
Gambar 3.2 : Pahat Bubut Baja HSS
Pada Gambar 3.2 bahan yang digunakan adalah pahat bubut baja HSS
dengan ukuran (9,525 x 9,525 x 99) mm3. Baja HSS ini dibeli dipasaran
tanpa sertifikasi. Sampel baja HSS ini yang nantinya sebagai substrat pada
mesin sputtering dc, namun sebelumnya dilakukan preparasi sampel
terlebih dahulu sebelum diletakkan pada mesin sputtering.
b. Titanium Murni
Titanium yang digunakan merupakan titanium murni berbentuk pelat
sebagai target dengan diameter 60 mm dan tebal 3 mm, sudah tersedia di
Laboratorium Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan (PTAPB)-
BATAN, Yogyakarta.
31
c. Gas Nitrogen dan Gas Argon
Gas nitrogen sebagai gas reaktif dan gas argon sebagai gas sputter
yang tersedia di Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan (PTAPB)-
BATAN, Yogyakarta.
d. Kertas Gosok
Kertas gosok yang digunakan dengan grit size 600 sampai dengan
2000, untuk menghaluskan permukaan spesimen.
e. Autosol metal polish
Autosol metal polish digunakan untuk memoles spesimen yang akan
diuji kekerasan mikro dan di-sputtering.
3.2.2 Alat-alat yang digunakan dalam penelitian, antara lain :
a. Alat sputtering DC
Alat sputtering dc telah tersedia di laboratorium PTAPB-BATAN,
Yogyakarta yang ditunjukkan pada Gambar 3.3.
Gambar 3.3 : Alat Sputtering DC
32
b. Microhardness Tester Knoop
Alat ini digunakan untuk menguji kekerasan mikro lapisan tipis TiN
pada substrat baja HSS. Alat uji kekerasan ini menggunakan alat uji
kekerasan knoop yang tersedia di Laboratorium Bahan Teknik Jurusan
Teknik Mesin, Fakultas Teknik UGM yang ditunjukkan pada Gambar 3.4
Gambar 3.4 : Microhardness Tester Knoop (KHN)
c. Electric Discharge Machine (EDM)
Gambar 3.5 : Alat Electric Discharge Machine (EDM)
Pada Gambar 3.5 digunakan untuk memotong pahat baja HSS menjadi
sampel pahat sebelum disputtering. Alat ini tersedia di Laboratorium
Proses Permesinan Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik UNY.
33
d. Ultrasonic Cleaner
Alat ini digunakan untuk membersihkan spesimen / sampel yang akan
disputtering. Alat ini tersedia di Laboratorium PTAPB-BATAN,
Yogyakarta.
e. Oven
Alat ini digunakan untuk menguapkan zat-zat kimia yang terkandung
didalam sampel setelah diultrasonic cleaner . Oven yang digunakan
dengan merk Heraeus telah tersedia di PTAPB-BATAN, Yogyakarta.
f. Scanning Electron Microscopy (SEM) & Energy Dispersive Spectroscopy
(EDS)
Alat SEM ini digunakan untuk mengamati morfologi permukaan
sruktur mikro bahan dan EDS digunakan untuk mengetahui komposisi
unsur-unsur kimia bahan serta tebal deposisi lapisan bahan. Alat ini
tersedia di Laboratorium Geologi Kuarter (P3GL) Bandung. Alat SEM
dan EDS ini ditunjukkan pada Gambar 3.6
Gambar 3.6 : Alat Uji SEM dan EDS
34
3.3 Preparasi Sampel
Gambar 3.7 : Potongan sampel pahat bubut baja HSS
Baja HSS yang dibeli dipasaran memiliki ukuran (9,525 x 9,525 x 99) mm3
kemudian dipotong-potong dengan ukuran (9,525 x 9,525 x 3) mm3 agar sesuai
dengan chuck / pemegang pada substrat seperti yang ditunjukkan pada Gambar
3.7. Bahan baja HSS adalah logam yang sangat keras, maka untuk dapat
memotongnya digunakan EDM (Electric Discharge Machine) yang ada di
Laboratorium Proses Permesinan Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik UNY.
Gambar 3.8 : Proses Pemotongan pahat baja HSS dengan EDM
Pada Gambar 3.8 menunjukkan cara kerja mesin EDM didalam pemotongan
pahat baja HSS dengan ketebalan 3 mm. Cara kerja alat ini sangat sederhana,
pahat baja yang masih berupa batangan (pahat standar) diletakkan pada chuck
35
atau pemegang yang menjepit kedua sisinya. Tuas pemotong dari alat EDM
berupa lempengan / plat timbal yang diletakkan pada penjepit atas yang dapat
bergerak naik turun sesuai arah sumbu x, y dan z. Tuas pemotong ini dapat
dijalankan dengan menekan tombol otomatis yang berada disamping alat dan
memasukkan koordinat pemotongan. Bahan pahat yang akan dipotong direndam
dengan media berupa minyak tanah yang disemprotkan melalui selang. Hal ini
dilakukan untuk mempertahankan suhu pada saat pemotongan, sehingga suhu
pada saat pemotongan tidak tinggi sesuai suhu ruangan sebesar 27 Cο . Hanya
pada saat pertama alat ini melakukan pemotongan, suhu yang terjadi sangat tinggi
sekitar 1000 Cο , kemudian suhu menjadi menurun sampai pada suhu ruangan.
Suhu pemotongan bisa menurun karena pada saat proses pemotongan pada ujung
pemotong dari alat EDM ditembak dengan minyak tanah yang keluar melalui
ujung selang dan berfungsi sebagai media pendingin, selain sebagai media
pendingin fungsi minyak tanah juga sebagai isolator terhadap aliran listrik,
sehingga pada saat operator menjalankan alat ini tidak mengalami kecelakaan
kerja. Proses EDM merupakan proses pengambilan materi dengan proses erosi
akibat lucutan bunga api listrik karena adanya beda potensial. Agar dapat bekerja
secara optimal pada proses sputtering, maka spesimen/ benda uji harus
dipersiapkan dengan baik, antara lain :
36
a. Diamplas
Gambar 3.9 : Spesimen pahat baja HSS hasil pemotongan dengan EDM
Pada Gambar 3.9 menunjukkan hasil pemotongan pahat baja HSS
dengan alat EDM, dimana permukaan pahat masih tidak rata atau
kasar dan untuk meratakan permukaannya dengan menggunakan
kertas gosok mulai dari grit size 600 sampai 2000. Proses
pengampelasan permukaan pahat baja HSS membutuhkan waktu yang
lama. Hal ini disebabkan sifat baja yang keras, sehingga untuk
meratakan permukaan satu spesimen pahat baja HSS dibutuhkan
waktu 6 jam lamanya. Hasil yang akan diperoleh dari proses
pengamplasan adalah permukaan pahat yang rata dan halus.
37
b. Dipolish
Gambar 3.10 : Spesimen pahat baja HSS yang dipolish
Permukaan spesimen pahat baja HSS setelah selesai diratakan
dengan kertas gosok, selanjutnya dilakukan pemolishan dengan
menggunakan autosol metal polish yang digosokkan permukaannya
pada kain bludru atau kain perca. Menggosokkan permukaan pahat
baja HSS ini harus searah, hal ini dilakukan untuk menghilangkan
goresan akibat bekas ampelas, sehingga permukaan dari spesimen
pahat kelihatan halus dan mengkilat seperti yang ditunjukkan pada
Gambar 3.10.
c. Diultrasonic cleaner
Sebelum dimasukkan ke dalam mesin sputtering, spesimen pahat
baja HSS dibersihkan terlebih dahulu dengan alat yang disebut
ultrasonic cleaner. Tujuan pembersihan dengan ultrasonic cleaner ini
adalah untuk membersihkan kotoran-kotoran dari zat-zat kimia yang
menempel pada spesimen pahat baja HSS. Prosesnya sangat
sederhana, spesimen tadi dimasukkan dalam beker glass kemudian
38
diberi larutan alkohol 90% dan spesimen pahat direndam didalam
beker glass kemudian diletakkan pada mesin ultrasonic cleaner. Proses
ini berlangsung sangat lama kurang lebih 1 jam lamanya dengan
ditandai keruhnya alkohol. Proses ini dilakukan sebanyak 2 kali.
d. Dioven
Spesimen pahat baja HSS yang telah selesai proses ultrasonic
cleaner tersebut masih belum benar-benar bersih karena masih
mengandung alkohol. Untuk itu spesimen pahat tadi diambil dari beker
glass dengan menggunakan pinset/ penjepit dan dikeringkan dengan
menggunakan hair dryer. Spesimen pahat tadi telah kering, kemudian
dipanaskan dengan oven pada suhu 150 Cο selama 1 jam lamanya
39
3.4 Pelaksanaan sputtering TiN pada pahat baja HSS
Gambar 3.11 : Skema alat sputtering DC
Sampel pahat baja HSS diletakkan pada anode (kutub Positif) sebagai substrat
dan pelat titanium murni diletakkan pada katode (kutub negatif) sebagai target
didalam suatu ruangan/ tabung, kemudian tabung/ ruangan tempat kedua bahan
tadi divakumkan dengan tekanan mencapai 10-5 torr. Gas argon sebagai gas
sputter dialirkan kedalam tabung reaktor dan selanjutnya dialirkan gas nitrogen
sebagai gas reaktif. Pada tabung yang telah divakumkan memiliki tekanan rendah
dipasang beda tegangan yang menghasilkan arus listrik, arus ini yang akan
mengionisasi gas yang ada didalam tabung, sehingga menghasilkan muatan
40
positif dan negatif yang seimbang. Kondisi ini disebut sebagai plasma. Adanya
beda potensial pada kedua elektrode menimbulkan medan listrik yang akan
mempengaruhi ion-ion gas sputter untuk dapat bergerak menumbuk ke target.
Tumbukan yang terjadi pada permukaan target berlangsung terus-menerus dan
terjadi sangat cepat, sehingga terjadi transfer momentum. Atom- atom titanium
yang terlempar keluar akan berikatan dengan nitrogen membentuk ikatan TiN
(Titanium nitride) yang bergerak menuju permukaan substrat. Prinsip inilah yang
mendasari pemanfaatan plasma sputtering untuk mendeposisikan lapisan tipis
pada permukaan bahan.
3.5 Karakterisasi
Karakterisasi hasil sputtering spesimen pahat baja HSS, antara lain :
a. Pengujian kekerasan knoop (KHN)
Karakterisasi uji kekerasan hasil lapisan tipis TiN pada spesimen pahat
baja HSS dilakukan dengan Knop. Pengujian kekerasan diamati mulai dari
sampel pahat mula-mula sampai pada sampel spesimen pahat baja HSS
hasil proses sputtering dengan beberapa parameter, antara lain : variasi
suhu, variasi waktu deposisi, dan variasi aliran gas nitrogen.Untuk setiap
spesimen dilakukan pengujian kekerasan sebanyak 3 kali dengan beban
penekanan sebesar 10 g. Dari pengujian kekerasan ini diperoleh nilai
kekerasan masing-masing spesimen pahat baja HSS hasil sputtering. Nilai
kekerasan spesimen pahat baja HSS dari masing-masing parameter
41
sputtering diperoleh hasil nilai kekerasan pahat baja HSS yang paling
tinggi atau optimum kemudian dilakukan analisis data dan pembahasan.
b. Scanning Electron Microscopy (SEM)
Setelah spesimen pahat baja HSS dilakukan karakterisasi kekerasan,
maka selanjutnya spesimen pahat baja HSS ini dilakukan karakterisasi
struktur mikro dengan alat SEM di laboratorium P3GL Bandung. Hasil
karakterisasi dengan SEM berupa foto yaitu untuk menentukan morfologi
permukaan baik untuk spesimen pahat baja HSS mula-mula maupun
spesimen pahat baja HSS yang telah disputtering, kemudian dari hasil ini
dilakukan analisisnya. Untuk spesimen pahat baja HSS yang dilakukan uji
SEM berjumlah 3 sampel, diambil sampel penampang muka pahat baja
HSS mula-mula dan sampel pahat baja HSS hasil sputtering, yang
memiliki karakterisasi kekerasan paling tinggi. Sampel pahat baja HSS
hasil sputtering yang memiliki kekerasan paling tinggi ini dibagi menjadi
dua bagian dengan alat EDM untuk menentukan panampang muka dan
penampang lintang.
c. Energy Dispersive Spectroscopy (EDS)
Hasil dari karakterisasi SEM berupa foto, sedangkan karakterisasi
dengan EDS berupa spektrum untuk memperoleh komposisi unsur-unsur
kimia pada spesimen pahat baja HSS. Karakterisasi spesimen pahat baja
HSS dengan EDS juga dilakukan pada spesimen pahat baja HSS standar
42
dan spesimen pahat baja HSS yang telah disputtering dengan parameter
sputtering yang optimal. Pada kondisi spesimen pahat baja HSS hasil
sputtering dengan kondisi yang optimal juga diambil spektrum pada
penampang muka dan penampang lintang untuk memperoleh ketebalan
lapisan.
43
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Hasil Uji Kekerasan
Proses lapisan tipis TiN pada bahan baja HSS telah dilakukan variasi
suhu, waktu deposisi, dan aliran gas nitrogen dengan teknologi sputtering
diharapkan diperoleh hasil yang optimal. Pada awalnya proses sputtering
dilakukan variasi suhu mulai dari suhu 150˚C, 200˚C, 250˚C, dan 300˚C
sedangkan untuk waktu deposisi mulai dari 30 menit, 60 menit, 90 menit dan
120 menit, aliran gas nitrogen dari 5 sccm, 6 sccm, 7 sccm, 8 sccm. Hasil dari
proses sputtering dengan variasi suhu dan waktu deposisi diatas, kemudian
dilakukan pengujian kekerasan yang dilakukan di Laboratorium Bahan Teknik
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik UGM dengan setiap spesimen
dilakukan pengujian sebanyak 3 kali, penekanan dengan beban sebesar 10 g.
Dari hasil pengujian semua spesimen, maka diperoleh spesimen dengan nilai
kekerasan optimal pada kondisi parameter sputtering yaitu pada suhu 250˚C,
waktu deposisi selama 90 menit dan aliran gas nitrogen 5 sccm. Hasil nilai
kekerasan dengan knoop untuk variasi suhu, waktu deposisi dan aliran gas
nitrogen ditunjukkan pada Tabel 4.1
44
Tabel 4.1 Hasil uji kekerasan dengan variasi suhu dan waktu deposisi.
Suhu
(˚C)
Waktu
deposisi
(menit)
Pengujian
ke-I
)( mμ
Pengujian
ke- II
)( mμ
Pengujian
ke-III
)( mμ
KHN1
(KHN)
KHN2
(KHN)
KHN3
(KHN)
Rata-
rata
(KHN)
150˚C
30 15,1 14,9 12,7 624 640,9 882,1 715,66
60 17,8 17,5 17,2 449 464,6 480,9 464,76
90 13,8 14,3 14 747,1 695,8 725,9 722,93
120 19,0 18,6 20,6 394,1 411,2 335 380,1
200˚C
30 18,7 16,8 21,6 406,9 504,1 304,9 405,3
60 12,1 13,6 11,1 971,8 769,3 1175,9 972,33
90 9,9 14,7 9,2 1451,7 658,4 1681,1 1263,73
120 14,4 20,2 15,5 686,1 348,7 592,2 542,33
250˚C
30 20,6 26,0 23,9 335,3 210,4 249,1 264,93
60 21 24,9 23,6 322,6 229,4 255,4 269,13
90 8,0 8,6 7,7 2223,2 1923,8 2399,8 2182,26
120 14,5 13,6 15,5 676,7 769,3 592,2 679,4
300˚C
30 20,6 20,6 23,8 335,3 335,3 251,2 307,26
60 17,4 15,2 19,9 469,9 615,8 359,3 481,66
90 20,9 17,6 17,6 325,7 459,3 459,3 414,76
120 24,7 28,9 26,3 233,2 170,3 205,7 203,06
45
Dari Tabel 4.1 dapat dibuat gambar grafik kekerasan terhadap waktu
deposisi pada variasi suhu (150, 200, 250, 300) ˚C yang ditunjukkan pada
Gambar 4.1 dibawah ini.
0
500
1000
1500
2000
2500
0 30 60 90 120 150
Waktu deposisi (menit)
Kek
eras
an (K
g/m
m2 )
suhu 150˚Csuhu 200˚Csuhu 250˚Csuhu 300˚C
Gambar 4.1 Grafik kekerasan terhadap waktu deposisi pada variasi suhu (150, 200, 250, 300) ˚C pada aliran gas nitrogen 5 sccm
Pada Gambar 4.1 menunjukkan pada suhu 250˚C dan waktu deposisi 90
menit diperoleh nilai kekerasan knoop paling tinggi, yaitu 2182,26 Kg/mm2
yang merupakan kondisi parameter sputtering optimal. Pada Gambar 4.1
semakin tinggi waktu deposisi, maka tampak adanya kenaikan nilai kekerasan
hal ini disebabkan waktu untuk menumbuk permukaan target (titanium) juga
lebih lama dan intensitas tumbukan yang terjadi lebih banyak sehingga atom-
atom TiN yang terlempar keluar juga lebih banyak sehingga jumlah atom-
atom yang terdeposisi ke permukaan target lebih banyak juga sehingga lapisan
yang terjadi lebih homogen. Hal ini juga dipengaruhi dengan adanya kenaikan
46
suhu semakin tinggi, maka nilai kekerasan juga naik. Suhu yang tinggi pada
substrat membuat substrat (baja HSS) memuai yang mengakibatkan atom-
atom HSS berjauhan letak susunan atomnya dan terdapat ruang untuk diisi
oleh atom-atom dari target yang maikn lama mengisi kekosongan semakin
banyak sehingga lapisan yang terjadi semakin rata atau homogen yang
mengakibatkan lapisan lebih tebal. Fenomena sputtering terjadi sampai pada
kondisi suhu 250˚C dan waktu deposisi 90 menit, namun pada suhu 300˚C
dan waktu deposisi 120 menit kekerasan mengalami penurunan. Kondisi ini
dapat dijelaskan bahwa pada kondisi ini suhu substrat yang semakin tinggi
mencapai 300˚C menyebabkan substrat memuai yang menjadikan ikatan antar
atom-atom pada substrat semakin longgar dan ruang kosong semakin besar
sehingga atom-atom yang terdeposisi berebutan untuk mengisi kekosongan
dan ada sebagian atom-atom target tidak memperoleh tempat yang
menghasilkan lapisan yang tipis dan tidak homogen. Pada saat pengujian
kekerasan pada suhu 300˚C, waktu deposisi 120 menit dan aliran gas reaktif
nitrogen sebesar 5sccm diperoleh kekerasan baja HSS sebesar 203,26 Kg/mm2
mengalami penurunan kekerasan dari kekerasan pahat baja HSS mula-mula
sebesar 819 kg/mm2.
47
Tabel 4.2 Hubungan nilai kekerasan dengan aliran gas nitrogen
Aliran gas nitrogen (sccm) Kekerasan (Kg/mm2)
5 2182,26
6 247
7 265
8 394
Pada Tabel 4.2 menunjukkan hubungan nilai kekerasan dengan aliran gas
reaktif nitrogen, dimana semakin banyak aliran gas reaktif nitrogen kekerasan
yang terjadi mengalami penurunan. Pada Tabel 4.2 dapat dibuat Gambar
grafiknya yang ditunjukkan pada Gambar 4.2
0400800
12001600200024002800
4 5 6 7 8 9
Kekerasan
Alir
an g
as N
itrog
en( s
ccm
)
Gambar 4.2 Grafik hubungan kekerasan vs aliran gasreaktif nitrogen
Pada Gambar 4.2 ditunjukkan bahwa semakin banyak aliran gas reaktif
nitrogen yang masuk ke dalam tabung reaktor maka nilai kekerasannya
semakin menurun, hal ini disebabkan kondisi tabung reaktor semakin penuh
dengan aliran gas nitrogen dan yang terjadi gas sputter yaitu argon semakin
48
menurun sehingga atom argon yang menumbuk ke permukaan target juga
semakin sedikit yang mengakibatkan atom-atom target yang terlempar atau
terpercik keluar juga semakin sedikit yang mengakibatkan deposisi lapisan
juga semakin tipis sehingga nilai kekerasan yang terjadi semakin menurun.
4.2 Hasil Uji Scanning Electron Microscopy (SEM) & Energy Dispersive
Spectroscopy (EDS)
Untuk mengetahui morfologi permukaan spesimen pahat baja HSS dan
komposisi unsur kimia spesimen pahat baja HSS hasil sputtering dapat
dilakukan proses pengujian Scanning Electron Microscopy (SEM) & Energy
Dispersive Spectroscopy (EDS), dengan pengujian ini dapat diketahui
morfologi permukaan spesimen pahat baja HSS sebelum di sputtering dan
sesudah di sputtering serta dapat diketahui adanya penambahan unsur-unsur
kimia pada spesimen pahat baja HSS setelah proses sputtering.
Gambar 4.3 Hasil SEM permukaan HSS mula-mula (Perbesaran 500 x)
49
Pada Gambar 4.3 tampak bahwa morfologi permukaan baja HSS mula-
mula masih belum adanya pelapisan. Permukaan masih rata dan halus. Untuk
memastikan unsur-unsur yang terdapat dipermukaan dilakukan EDS. Pada
Gambar 4.5 dapat diketahui komposisi unsur-unsur yang terdapat pada baja
HSS mula-mula, antara lain 7,52% C; 1,08% V; 5,16% Cr; 86,23% Fe.
Pada Gambar 4.4 permukaan baja HSS yang dideposisikan TiN tampak
adanya lapisan pada permukaan spesimen pahat baja HSS. Permukaan tampak
tidak rata dan terlihat ada gumpalan besar terdapat di permukaannya.
gumpalan besar tersebut merupakan TiN yang terdeposisi pada spesimen
pahat baja HSS. Untuk dapat melihat morfologi permukaan dilakukan uji
SEM pada Gambar 4.4
Gambar 4.4 Hasil SEM permukaan HSS yang disputtering pada suhu 250˚C, waktu deposisi 90 menit dan aliran gas reaktif nitrogen 5 sccm
50
Gambar 4.5 Hasil EDS dari pahat baja HSS mula-mula
Untuk memastikan adanya penambahan unsur-unsur pada
permukaan baja HSS dilakukan EDS. Hasil proses EDS baja yang
terdeposisi TiN pada penampang muka baja HSS dapat dilihat pada
Gambar 4.6. Pada Gambar 4.6 menunjukkan adanya penambahan unsur
yaitu berupa nitrogen, titanium dan oksigen. Hal ini menunjukkan proses
sputtering TiN pada substrat spesimen baja HSS menunjukkan hasil
dengan adanya penambahan unsur-unsur kimia yang baru jika
dibandingkan dengan hasil EDS spesimen baja HSS mula-mula. Untuk
unsur oksigen merupakan penambahan akibat udara luar setelah
spesimen dikeluarkan dari proses sputtering. Namun disini yang
terpenting adalah adanya penambahan unsur titanium dan nitrogen
dalam bentuk ikatan titanium nitride (TiN) yang pada substrat akan
nampak berwarna kuning keemasan. Hal ini yang menyebabkan sifat
51
keras pada spesimen pahat baja HSS. Penambahan unsur titanium dan
nitrogen pada permukaan spesimen pahat baja HSS dapat diketahui
melalui pengujian EDS pada Gambar 4.6. Untuk mengetahui morfologi
permukaan spesimen pahat baja HSS yang terdeposisi TiN pada suhu
250˚C, waktu deposisi 90 menit dan aliran gas reaktif nitrogen sebesar 5
sccm pada penampang lintang dapat dilihat pada Gambar 4.7, dimana
pada pengujian SEM preparasi sampel kurang maksimal. Pada kondisi
ini unsur-unsur kimia dari titanium nitride menyebar merata pada bagian
penampang lintang sehingga tidak dapat dibedakan bagian base metal
benda. Hal ini dapat dilihat dengan jelas pada Gambar 4.8 hasil
pengujian EDS dimana bagian terdalam spesimen yang seharusnya
merupakan base metal benda telah terdeposisi oleh ikatan titanium
nitride sehingga ketebalan lapisan tidak dapat diukur dengan akurat.
Kurangnya persiapan pengujian SEM ini dikarenakan persiapan bahan
spesimen pahat baja HSS untuk dibuat sampel uji SEM sangatlah sulit,
dimana harus memotong permukaan spesimen pahat baja HSS menjadi 2
bagian tanpa harus merusak lapisan. Untuk itu dilakukan rekayasa
dengan memotong pahat terlebih dahulu sebelum disputtering, sehingga
pada saat proses sputtering atom-atom titanium dan nitrogen masuk
kedalam spesimen panampang lintang pahat baja HSS melalui sela-sela
potongan.
52
Gambar 4.6 Hasil EDS permukaan spesimen pahat baja HSS pada suhu 250˚C, waktu deposisi 90 menit aliaran gas nitrogen 5 sccm
Gambar 4.7 Hasil Uji SEM baja HSS pada penampang lintang pada suhu 250˚C, waktu deposisi 90 menit dan aliran gas reaktif nitrogen 5 sccm
53
Gambar 4.8 Hasil EDS penampang lintang baja HSS pada suhu
250˚C, waktu deposisi 90 menit dan aliran gas reaktif nitrogen 5
4.3 Kesulitan-kesulitan penelitian
Didalam penelitian sputtering pahat potong baja HSS dengan TiN
mengalami berbagai kendala antara lain :
a. Persiapan spesimen/ benda uji
Untuk membuat spesimen uji sputtering, maka pahat baja HSS
dipotong dengan ketebalan 3 mm. Pemotongan ini hanya bisa
dilakukan dengan mesin EDM. Hal ini disebabkan sifat baja HSS yang
sangat keras dan ulet. Pemotongan pahat baja HSS untuk satu
spesimennya membutuhkan waktu 1 jam lamanya dan biaya yang
sangat mahal. Mesin EDM di Yogyakarta ini hanya ada di Universitas
54
Negeri Yogyakarta (UNY). Kendala selanjutnya pada persiapan
spesimen untuk disputtering adalah diratakan permukaannya dengan
diamplas menggunakan kertas gosok, dimana membutuhkan waktu 6
jam lamanya untuk satu buah spesimen.
b. Pengaturan aliran gas nitrogen
Pengaturan aliran gas nitrogen ini masih bersifat manual dan
dalam pengaturannya untuk mendapatkan nilai yang tepat masih
kurang atau sulit dilakukan.
c. Pengujian kekerasan
Pada pengujian kekerasan dengan Knoop sulit dilakukan untuk
menentukan bekas injakan pada permukaan spesimen uji, dikarenakan
bekas injakan yang sangat kecil dengan beban sebesar 10 g. Struktur
logam yang tidak rata jika diamati dengan mikroskop terkadang
membuat kurang telitinya penentuan bekas injakan bila dibandingkan
dengan adanya rongga-rongga pada spesimen yang merupakan
struktur logam baja HSS yang tidak homogen. Hal ini membutuhkan
ketelitian pengamatan.
d. Persiapan spesimen untuk uji SEM & EDS
Pada persiapan spesimen uji SEM dan EDS ini juga mengalami
kendala didalam pemotongan penampang lintang pahat baja HSS
55
dengan kondisi yang terdeposisi TiN dan lapisan ini sangat tipis tanpa
merusaknya.
56
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan
Dari proses deposisi lapisan tipis TiN pada substrat pahat baja HSS
dapat disimpulkan bahwa :
1. Pada proses deposisi lapisan tipis TiN kekerasan optimal terjadi
pada kondisi sputtering optimal pada suhu 250˚C, waktu 90 menit
dan laju aliran gas nitrogen 5 sccm. Peningkatan kekerasan sebesar
166% yaitu dari kekerasan awal 819 kg/ mm2 menjadi 2182,82
kg/mm2.
2. Pengujian SEM menunjukkan bahwa pada pahat yang disputter
TiN terdapat adanya lapisan tipis pada permukaan.
3. Hasil pengujian EDS menunjukkan adanya unsur Ti dan N pada
pahat yang disputter.
57
5.2. Saran
Dari penelitian yang telah dilakukan dapat disarankan bahwa :
1. Hasil penelitian ini dapat diteruskan untuk melakukan penelitian
selanjutnya dengan mendeposisikan TiN-AlN, TiN-AlN-TiN atau
AlN-TiN-AlN
2. Untuk proses sputtering dapat ditingkatkan suhunya dan waktu
deposisi lebih lama daripada penelitian sebelumnya
58
DAFTAR PUSTAKA ASM International, 1997, Metals Handbook of Machining, Ninth Edition Vol. 16,
Material Atmono, T.M., 2003, Sputtering Untuk Rekayasa Permukaan Bahan, Diktat kuliah
Workshop, P3TM-BATAN, Yogyakarta Bambang Priambodo., 1992, Teknologi Mekanik, Jilid II, Penerbit Erlangga, Jakarta Budi Setyahandana., 2004, Ilmu Logam , Diktat Kuliah Jurusan Mesin, Universitas
Sanata Dharma, Yogyakarta Gerling., 1974, All About Machine Tools, Wiley Eastern Private Limited, New Delhi,
India Ibrahim, A.G., 2004 Pengaruh Tebal Potong Terhadap Laju Keausan Pahat Bubut HSS
Yang Dilapisi Titanium Nitrida dengan Teknik Sputtering, Tesis, Jurusan Teknik Mesin UGM
Konuma , M., 1992, Film Deposition by Plasma Techniques, Spinger-Verlag, Berlin, Germany
Malau, V., 2003, Perlakuan Permukaan, Diktat Kuliah, Jurusan Teknik Mesin UGM Ostwald, P.F., and Munoz, J., 1997, Manufacturing Processes and Systems, John Wiley
& Sons, Inc., new york, USA Sriati Djaprie., 1993, Teknologi Mekanik, Jilid I, Penerbit Erlangga, Jakarta Suyitno, B.A., 2003, Sputtering Untuk Rekayasa Permukaan Bahan, Diktat Kuliah
Workshop, P3TM-BATAN, Yogyakarta Van Vlack., 1993, Ilmu dan Teknologi Bahan, Edisi V, Penerbit Erlangga, Jakarta Wasa, K., Hayakawa, S., 1992, Handbook Of Sputter Deposition Technology Principles,
Technology and Application, Noyes Publication, New Jersey, USA Yuniarto H.A., Mudjijana, Malau V., Adika., 2003, Pengaruh Deposisi Lapisan Tipis TiN
Pada UJUNG Mata Bor terhadap laju Pengeboran Pada Baja Karbon Rendah, Media Teknik, No 4 Tahun XXV, November, 49-54
59
Lampiran 1
1. Foto pahat baja HSS
2. Foto hasil potongan sampel pahat HSS
3. Foto Mesin EDM
4. Foto alat uji kekerasan knoop
60
Lampiran 1 (lanjutan)
5. Foto alat uji SEM & EDS
6. Foto alat sputtering DC
61
Lampiran 2
1. Hasil SEM & EDS HSS mula-mula
2. Hasil SEM & EDS sputtering pada kondisi optimal
62
Lampiran 2 (lanjutan)
3. Hasil SEM & EDS penampang lintang sputtering pada kondisi optimal