NITRIDASI ALUMINIUM AA 2024 T3 DENGAN TEKNIK ......Pro.!idmg Pertemrtan don Preselllasi IImiDh PPN},-BATAN. t'ogyakarta ]3.25 April J996 Bllkll J 15 NITRIDASI ALUMINIUM AA 2024 T3

Pro.!idmg Pertemrtan don Preselllasi IImiDhPPN},-BATAN. t'ogyakarta ]3.25 April J996 Bllkll J 15

NITRIDASI ALUMINIUM AA 2024 T3 n DENGAN TEKNIKPLASMA LUCUTAN PIJAR

Supardjono Mudjiman, Tjipto Sujitno, SudjatmokoPPt-.,},.BATAN. )1. Babarsari Kotak Pas 1008. fogyakarta 55010

ABSTRAK

VITRJDASI ALUMINIUM AA 2024 T3 DENGAN TEKNIK PLASMA LUCUTAN PfJAR. Telahdilakulwn nitridasi aluminium AA 2024 T3 dengan teknik plasma lucl/tan pilar. Percobaan dilakl/lwndengan variasi suhu dari 3(J'C, 6rJ'C, 10rJ'C,15ifC, 20(J'C dan 25rfC Untuk variasi waktu dikrjalwndengan waktu 5 meni!, 15 menil. 40 meni!. 90 meni! dan 180 meni!. Hasil yang paling optimumdidapat pada kondisi suhu 6(J'Cdan waktu 90 meni!. hasil yang diperoleh kekerasannya naik dari 115menjadi 166 KHN.

ABSTRACT

SITRfDATfON OF THE AA 2024 T3 ALUMI.I\'fUM Sf THE GLOW DISCHARGE PLASMA

TECHA'IQU£.l..'itridationof AA 2024T3 aluminiumby meansofplasmaglow dischargetechnique hasbeen carried out. For this purpose. the experiments were carried out at the temperature 3(J'C. 6(f'C.10(f'C. J5{f'C. 20(f'C and 25{f'C whereas the nitridation lime were varied at 5 minutes. 15 minutes. 40minutes, 90 minlltes and 180 minutes. The results showed that the optil/wm temperature and time ofnilridalion were 6(J'Cand 90 minlltes respeclively and the hardness increasedfrom 115 to 166 KHN.

PENDAHULUAN

A luminium merupakan bahan yang sangatpenting dalam bidang keteknikan, hal inidisebabkan oleh sifatnya yang ringan akan tetapikekuatannya rendah. Untuk mengatasi hal ter-schut maka aluminium dipadukan, yakni denganmenambahkan sejumlah kecil unsur paduansehingga meningkatkari kekuatan clan juga keke-rasannya. Unsur pemadu yang biasa digunakanadalah mangan (Mn), silikon (Si), tembaga (Cu),magnesium (Mg) clan seng (Zn)(I). Mekanismepengerasan yang terjadi pactapaduan aluminiumtersebut yaitu terbentuknya rasa kedua yangmerupakan senyawa pemadu dengan aluminium(misalCuAh, AISi);' ~.. ,....

Penggunaan aluminium dalam duniaindustri sangatlah luas antara lain dalam industrikedirgantaraan, yaitu digunakan sebagai bahanstruktur dari pesawat terbang. Dalam industribahan makanan / bahan kimia aluminium jugadigunakan sebagai tangki reaktor hal ini disebab-kan tahan terhadap korosi yaitu dengan adanya zatlapis lindung dari A12O3. Dalam dunia industrinuklirpun tidak ketinggalan penggunaan paduan

aluminium yaitu sebagai bahan kelongsong bahanbakar pacta reaktor riset dan juga untuk membuatpaduan bahan bakar yaitu uranium aluminium. Halini karena aluminium mempunyai sifat netronikyang baik yaitu mempunyai tampang lintangserapannetron yang rendah. .

Dalam dunia industri aluminium diklasi-

fikasi dalam beberapa seri yaitu dengan meng-~':"gunakan angka dengan empat digit, digit pertamamenunjukkan unsur pemadu sedangkan digitkedua terakhir menyatakan % dari paduan ataujumlah pengotor. Sedangkan untuk digit keduamenyatakan modifikasi dari paduan asli atau limitdari pengotor.(1.2)

Tabeli. Klasifikasi dari aluminium clanpaduannya.

Ser'i

~2XXX3XXX4XXX5XXX6XXX

ISSNO216.3128 SupardjonoMudjiman,dkk.

16 Buku IProsiding Per/elI/lIon dun Presentasi /llI/iah

PPNY-BATAN. Yogyakarla 23-25 Apnl1996

Dalam klasifikasi tersebut di alas dapat di-agi datum dun golongan besar yaitu nO/1heattreatable dun heat treatable. Yang termasuk datumgolongan /10/1heal treatable yaitu seri IXXX,3XXX dun seri 5XXX. Artinya bahwa aluminiumdengan seri tersebut tidak dapat dikeraskan dengantara proses laku panas telapi hanya dapat dcnganproses laku dingin, yaitu misalnya dengan rot dingin

Salah satu gejala fisika yang telah lamadikenal adalah peristiwa lueutan listrik dalam gas.Peristiwa lueutan gas diketemukan oleh SirWilliam Croakers pactatho 1879 datum percobaantabling lueutan gas. Dan lueutan gas tcrsebutdikategorikan sebagai keadaan materi yangkeempat setelah padat, eair dun gas. Baru padapennulaan tho 1930 oleh Langmuir pedstiwalueutan diberikan istilah "plasma,,(3). Plasma yangdigunakan untuk pembuatan lapisan tipis biasanyadigunakan jenis lueutan pijar (glow discharge)dengan tekanan rendah 10.3- 10 torr.

Dalam dunia industri penggunaan plasmalueutan pijar pertama kali untuk nitridasi ditandaidengan adanya paten dari Egan, yaitu denganmenggunakan amonia pada tekanan tinggi. Dalamperkembangan selanjutnya digunakan plasmalueutan pijar dengan tekanan rendah yaitu denganadanya paten dari Bosse dkk. clan kemudian di-kembangkan oleh Bergousse pacta tho 1930 yaitudengan menggunakan campuran dad gas nitrogenclan hidrogen(S). Dengan teknik tersebut bendakerja (baja) dapat dipanasi sampai suhu sekitar500-600 °c dun akan didapatkan lapisan nitridayang lebih keras dun mempunyai ketahanan lelahlfatique) sefIDketahanan korosi yang tinggi. Padaplasma lucutan pijar dengan gas nitrogen maka akanterbentuk radikal nitrogen dun mengikuti reaksisebagai berikut(3.~):

N2 + e ~ N2+ + 2 e pada 16 volt (1)

N2 + e ~ N+ + N + 2 epada 24,5 volt (2)

N2+ + e ~ N+ + N + 2 e . (3)

e + N + N ~ N2 + e (4)

N + N + N2 ~ N2 + N2'" (5)

2 N2m ~ N2 + 2 N* (6)

N* + N2m ~ N2 + N (7)Tanda m adalah menyatakan keadaan metastabildun * menyatakankeadaan keadaan tereksitasi.

Nitridasi dcngan plasma llicutan pijar jugadisebut dengan ioll nitriding. Keunggulan teknikini dibandingkan dengan teknik yang lainnyaadalah lapisan putih (Iapisan nitrida besi) yangdihasilkan lebih kerns dun tahan lelah ifat iqIIe),dun bersih karena dilakukan dalam ruang hampadun lebih aman dal i gas-gas yang berbahaya(7).

Parameter-parameter yang sangat berpeng-aruh dalam nitridisasi antam lain sllhu dun \Vaktllkarena prosesnya adalah proses dirllsi. Scdangkanparameter yang lain adalah kerapatan plasma,tekanan operasi dan jarak antara kedua elektroda.Seperti halnya nitridasi pacta baja maka akanterbentuk rasa kedua dari besi nitrida maka datumnitridasi aluminium akan terbentuk senyawaaluminium nitrida scbagai rasa kcdlla darialuminium (AIN).

TATA CARA PERCOBAAN

Bahan Bahan

1. Aluminium 2024 T3.2. Gas nitrogen.3. Larutan Keller untuk etsa aluminium.4. Kertas amplasPerala tan

I. Seperangkat alaI mesin plasma lueutan pijar.2. Alat uji kerns mikro buatan Matsuzawa.3. Mikroskoop optik.4. Alat potong isomet Buehler.5. Mesin pengamplas

cas

1

~ probe--

1C.~oclesa..peliCanocle)

Ter"oKopel

PelDvaKuman

Gambar l. Skema alat proses Ilitridasi de-Ilgall plasma lucutall pijarIlitrogell.

SiJpardjono Mudjiman. dkk. ISSN 0216 - 3128

Sc:nl!(Zn) 7XXXUnsur yanl! lain 8XXXUnusc:dseries 9XXX

Prosiding Perteml/alJ don Presentasi IImiah

PPNt'-BATAN. t'olD'akarla 23-25 Apri/1996 BI/klt I 17

I NITR:OASI I I TA~PANIiR,D..SI I

I ~NAL!SIS II "~kerasan

s~rukturmlkro

k~kerasan II

Strukw(

mlJ..ro I

I p-~UA7AtI LAPOR~/I I

Gambar 2.Skema tata cara percobaalt.

Penyiapan Sam pel Untuk Nitridasi

Penyiapan sampel untuk nitridasi denganmemotong bahan (aluminium) dengan Blat pe-motong isolllet low speed saw Buehler denganketebalan 2 mm. Kemudian diamplas dengankertas amplasdari ukuran 120 mesh, 200 mesh.360 mesh. 400 mesh, 600 mesh, 800 mesh, 1000mesh, 1200 mesh clan 1500 mesh.

"'

~"\(~ f~:,.. .'..:1

.

Gambar 3. A/at uji keras tipe Matzuzawa diPAU-UGM.

Nitridasi Aaluminium 2024 T3

Variabel suhu nitridasi pada aluminium AA2024 T3.

Pada variabel suhu nitridasi dengan variabelyang lain dibuat tetap. Waktu 40 menit, p = 0,2torr, daya = 40 watt, kecepatan alir gas N2 = 0,6liter/menit. Suhu divariasi dari suhu kamar, 60 °C,100 DC, 150°C, 200°C, clan250°c. Hasil nitridasidiuji profil kekerasannya. Dari hasil yang terbaikkemudian dipakai patokan dalam percobaanberikutnya.

Variabel waktu nitridasi Al 2024 T3.

Pada variabel waktu nitridasi denganvariabel yang lain dibuat tetap, suhu pada kondisiterbaik pada variabel suhu nitridisasi, p = 0,2 torr,daya = 40 watt, kecepatan alir gas N2 = 0,6liter/menit. Waktu nitridasi divariabel dari 5 menit,15 menit, 40 menit, 90 meDiIclan180 menit. Hasilnitridasi diuji profil kekerasannya. Dari keduahasil kondisi terbaik tersebut dilihat strukturmikronya.

Pengamatan Sampel Untuk Struktur MikroDan Uji Keras Mikro

Sampel yang sudah dinitridasi kemudiandibuat untuk pengamatan struktur mikronya.Sampel dipotong jadi 2, yang sarli untuk peng-amatan struktur mikronya. Sampel dimountingdengan penampang melintang untuk mengetahuikedalaman penetrasi dari nitridasi. Kemudian di-amplas dengan kertas amplas dari ukuran 120mesh, 200 mesh, 360 mesh, 400 mesh, 600 mesh,800 mesh, 1000 mesh, 1200 mesh, 1500 mesh dan"2000 mesh. Lalu dipoles dengan pasta diamond/serbuk alumina, setelah permukaannya dianggaprata kemudian diuji kekerasannya dengan Blat ujikerBsmikro tire MATSUZAWA. Untuk melihatstrukur mikronya kemudian dietsa dengan larut-an Keller's.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil-hasil percobaan untuk parameter suhunitridasi disajikan dalam Gambar 4 sedangkanlIntuk parameter waktll nitridasi dalam Gambar 5.

Dari Gambar 4 terlihat bahwa kekerasanpermukaan yang baik pada suhu percobaan sekitar60°C. Dengan naiknya suhu nitridasi maka akanterjadi penurunan kekerasan permukaan hat ini

ISSNO216.3128. Supardjono Mudjiman, dkk.

18 BllkulProsiding Perlemuan don Presentasi IllIIiall

PPNY-BATAN. Yogyakarla 23.25 April 1996

disebabkan adanya rekristalisasi dari aluminium,Suhu rekristalisasi aluminium dapat dipcrkira-kandengan rurnus scbagai berikut(6,7):

Trck' =0,4 0 0,5 Trn oKTrnuntuk aluminium 660°C atau = 933°Kdan Trek,= 0,4x933°K = 373°K = 100°C, Pada suhu sekitar100°Csudah terjadi rekristalisasi sebagian dan padasuhu 150°C rnakin banyak terjadinya rekristalisasidan ini akan menyebabkan kekerasan daripennukaan yang rnenurun, Untuk suhu diatas 200°C makaakanterjadioveraging,

Kel.."~f,~~:t~~:~:9"'~:,(~¥.-~.\,' :~::~ """or.,,~..'- ..:--~. ,o".~,;""""" "'---"~-""'-"'

,',~-',,:,,-' -,

.:', !';-::'.,:~-; ""eiP..""'~-~-.':",::=...:..",.,:.:--.,'.~::...~~:;;.;.'f'.'~'~""- - I~.. ;;,.,:, " ,:;,-;~ "'-J.""-' -- "\' "',-" .,..:~,~:; "--~ .J '--17 --::S::~j~:~ ,:: " '. ,;.~...;:;". ""'" " ""..-"'-.. . : ' '.. '.'.:J -:':.::-:-, . :,-:',".-. :"..,~' '-'."" ""'oJ~..l" '.' ,-' -", '-;', .'. ",., . ','" ,'.'l"", -'tOO..., "" "..,," ~~!\.""""-' ~ ',',/:';t-:'.;'~~-:".~..-,."f. :-'.;"':, "..! ,':; :'~.~ ... 0 '...,-'"7:"-'" "~~'o:-.~~',/ '~~~'-=;'..:':.;,:": ';"'1". .~:::.~..~.....J..~t ~ ,/'.~ ~~..,!J"" ,.i"~'/":""-~' ,". :/-.~ ..'- """"-"';', 0;';'-- ,-- ';"t#i;:,""" ~'. .:;'~'~~'"7-"':':""

~""i ,I,'. "v.oI.;--~to ""- """" . , '. ~'... :;: ,.~~..~, ~:;:~~"...' "-,...~., I. -', 0Gambar 7. Gambar jejak dari illdelllor alaI uji

keras Knoops,

Supardjono Mudjiman. dkk, ISSN 0216.3128

Kekerasan, KHN

"O,AI 2024 T3 ,.,'

0, -160

"'0

...l

,---0------ 0

Proslding Perleml/an dan Presetllosi 1//1/1011PPNY.BATAN. Yogyakarta23.25April 1996 BI/klll 19

Gambar 8. S/ruk/ur mikro AA 2024 T3 hasi/nitridasi, (e/sa lam/an Keller's.380 X).

Dari gambar 6 yaitu kedalaman penetrasiterlihat pada permukaannya lebih kecil ke-mudian bertambah clan akhirnya ekerasannyamenurun hat ini disebabkan karena padapermukaan sudah terjadi penyusunan atom-atomyakeposisi semula. Sedangkan makin kedalamkekerasannya bertambah hal ini karenaterjadinya eaeat-eatat akibat adanya ion nitrogenmasuk clan kemungkingan juga adanya rasakedua dari AIN. Semakin kedalam makakekerasannya akan menurun hal ini disebabkanion nitrogen tidak berdifusi sampai ke dalam.

KESIMPULAN

Dari hasil penelitian dapat diambil kc-simpulan bahwa pacta proses nitridasi denganplasma lueutan pijar sullo yang optimum padasckitar 60 DC clan waktu sekitar 90 menit.Kekerasanya naik dari 115 KHN menjadi 166KHN. Pacta nitridasi dengan teknik plasmalucutan pijar akan lebih aman clanbebas dari gasyang bereaeun hila dibandingkan dengan teknikyang konvensional.

UCAPAN TERIMAKASIH

Dengan selesainya penelitian ini kamimengueapkanterimakasih kepada :

I. Kepala laboratorium teknik logam F. TeknikJurusan Mesin UGM yang telah mcmbantufasilitas mikroskoop optik.

2. Kepala laboratorium mekanika bahan PAU-UGM yang telah memberikan fasilitasujikeras mikro.Star clanteknisi di Bidang Fisika Nuklir clanAtom kelompok Fisika Nuklir.

3.

DAFT AR rUST AKA

1. __°, "Aluminium Standard and Data, TheAlumil1iumAssociation Incorporation, 1988.

2. WILLIAM F. SMITH, "Principles ofMaterials and Engineeringing", 2nd edition,McGraw-Hili Publishing Company, 1990.

3. HELLUND, "The Plasma State", ReinholdPublishing Corporation, New York, 1961

4. MITSUHARU KONUMA, "Film Depositionby Plasma Technique", Springer-VerlagBerlin Heidelberg, 1992.

5. S.M.Ojha, "Plasma Enchanced ChemicalVapor Deposition of Thin Film", Physics ofThin Film, vol. 12, Academic Press Inc.London, 1982.

6. GEORGE E. DIETER, "Mechanical Metal-lurgy", 3rd ed., Mc.Graw Hill Books Co.,Singapore, 1986.

7. MARDJONO SISWOSUWARNO, "TeknikPembentukan logam I", Teknik Mesin ITB,1985.

8. METALS HANDBOOK VOL. 2, "HeatTreating, cleaning and finishing", 8th,American Society for Metals, Metals Park,Ohio, 1964.

9. LEE, B.C. TAN, C.S. WONG, A.C. CHEW,"Laser and Plasma Technology", Proceedingof the first Tropical College on AppliedPhysics, Word Scientific, 1988.

10. LEE, "Basic Theory of PlasmaTechnology", First Tropical College onApplied Physics, Word Scientific, 1988.

TANYAJAWAB

Tri Mardji Atmono .- Hasil optimum didapat oada kondisi suhu 60 DC

clan waktu 90 menit. Suhu apakah yang di-maksud disini, suhu plasma? Bagaimana caramcngukurnya?

- Apakah suhu plasma homogenkeseluruhan tabunglbejana eksperimen) ?

(pada

ISSNO216-3128 Supardjono Mudjiman, dkk.

20 Buku./Prosiding Pertenwan don Presentasi /lmiai!

PPNY-BATAN. Yogyakarta 23-25 April/996

- Apakah ada metoda lain yang bisa digunakanuntuk tujuan yang sarna (urnparnasputtering).

- Apa keuntungan/kelebihanmetoda yang' di-gunakan disini dibanding metoda lain tersebut.

Supardjono Mudjirnan- Suhu dari substrat. Cora mengukurnya dengan

memasang termokopel. Su/lII do/am tablll1g

tidak homogen don suhu paling panas dekatpemanas/substrat.

- Ada. misa/ dengan p/a:mlUlokl/s, tetapi hanyauntuk pengerasan /oka/, untuk ukuran yangkeci/. Ka/au dengan spuferring akan merusakpermukaan.

- Kelebihannya dibanding dengan metoda lainlebih oman dari gas yang beracun don bersih

Supardjono Mudjiman. dkk. ISSN 0216 - 3128

DAFTAR ISINITRIDASI ALUMINIUM AA 2024 T3 n DENGAN TEKNIK PLASMA LUCUTAN PIJARABSTRAKPENDAHULUANTATA CARA PERCOBAANHASIL DAN PEMBAHASANKESIMPULANUCAPAN TERIMA KASIHDAFTAR PUSTAKATANYA JAWAB

3: Ke Daftar Isi