PENGERASAN PERMUKAAN BEARING DENGAN TEKNIK …digilib.batan.go.id/ppin/katalog/file/1978-0176-2011-511.pdfpembengkokan. b) Baja karbon rendah dengan kandungan karbon antara 0,1% -

SEMINAR NASIONALSDM TEKNOLOGI NUKLIR VII

YOGY AKARTA, 16 NOVEMBER 2011ISSN 1978-0176

PENGERASAN PERMUKAAN BEARING DENGANTEKNIK PLASMA NITRIDING

Dwi Priyantoro*, Tjipto Sujitno**, Retno Ayu Utami*

*) STTN-BATAN, Jalan Babarsari kotak Pos 6101 YKBB 55281

**) PTAPB Batan, Jalan Babarsari kotak Pos 6101 YKBB 55281*) Jurusan Teknofisika Nuklir, STTN-BATAN Jalan Babarsari kotak Pos 6101 YKBB 55281

ABSTRAK

PENGERASAN PERMUKAAN BEARING DENGANTEKNIK PLASMA NITRIDING. Telah dilakukan

proses pengerasan permukaan bearing dengan teknik plasma nitriding.Bearing sebagai penyangga porosharus memiliki sifat keras dan ulet. Kekerasan permukaan dapat ditingkatkan dengan teknik plasmanitriding.Nitridasi dilakukan di dalam ruang,berisi campuran gas N2 dan H2. dengan tekanan 1,4mbar,temperatur 300 OC, selama 3 jam. Campuran gas N2 dan H2 divariasi dengan perbandingan 50 : 50; 60 :40; 70 : 30; 80 : 20; 90 : 10; dan 100 : O.Hasil dari plasma nitriding menunjukkan bahwa kekerasan

permukaan bearing mula-mula 197 VHN dan setelah plasma nitriding kekerasan permukaan meningkat.Pada campuran gas 90 % N2 dan 10 % H2, kekerasan permukaan mencapai harga maksimum, yaitu 290VHN, atau naik 47,2 %.

Kata kunci : bearing. plasma nitriding. kekerasan permukaan.

ABSTRACT

BEARING SURFACE HARDENING BY PLASMA NITRIDING TECHNIQUE.Bearing surface

hardening process with plasma nitriding technique has been done. Bearing as a buffer shaft should have ahard and tenacious nature. Bearing surface hardness can be improved by plasma nitriding technique.Nitriding carried out in deep space, containing a mixture of N2 and H2 gases, with a pressure of 1.4 mbar,temperature 300 oc, for 3 hours. N2 and H2 gas mixture varied with the ratio 50 : 50 ; 60 : 40 ; 70 : 30 ;80 : 20 ; 90 : 10 ; and 100: O.The results of plasma nitriding showed that sUilace hardness of the bearinginitially amounted to 197 VHN and after plasma nitriding sUilace hardness of the bearing on the increase. Ina gas mixture of 90% N2 and 10% H2, surface hardness increases and reaches a maximum value, which is290 VHN, up 47.2%.

Key words: bearing, plasma nitriding. surface hardness.

1. PENDAHULUAN

Padabidang otomotif khususnya komponenpermesinan, seperti poros, roda gigi, dan bearingdibutuhkan sifat-sifat tertentu, seperti misalnya sifatkeras, tahan aus, tahan korosi, ulet, dantangguh[IJ.Salah satu contoh komponen mesin yangmembutuhkan sifat-sifat tersebut adalah bearing ataulaker.Bearing terdiri atas tiga bagian yaitu cincinbagian luar, ball bearing atau gotri, dan cincinbagian dalam. Cincin bearing bagian dalam, disamping harus mampu me nahan keausan, juga harusmampu menahan gaya-gaya dinamis.

Kedua sifat tersebut pad a dasamya salingberlawanan. Ketahanan aus berbanding lurus dengankekerasan, jika kekerasan dan kekuatan meningkatmaka keuletan dan ketangguhan akan menurun.Untuk memenuhi kebutuhan tersebut maka kondisi

material dipersiapkan sedemikian rupa sehingga dibagian luar bersifat keras, sedang di bagian dalamtetap ulet.

Untuk mendapatkan bahan dengankekerasan yang tinggidan tetap ulet dapat dilakukandengan memodifikasi bahan tersebut. Salah satu caramodifikasi untuk mendapatkan kekerasan yangtinggi adalah nitridasi.Proses nitridasi dilakukandengan memanfaatkan plasma nitrogen dalam

Dwi Priyantoro dkk 511 Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN

lueutan pijar DC sehingga proses ini dapat disebutplasma nitriding.

Dalam penelitian ini akan dilakukan plasmanitriding terhadappermukaaneinein bearing bagiandalam. Dalam nitridasi ini digunakan gas nitrogendieampur dengan gas hidrogen dalam berbagaiperbandingan konsentrasi. Selanjutnya akan diearikomposisi eampuran yang memberikan efekkekerasan permukaan yang tertinggi, kemudiandilihat struktur mikrodari benda kerja yang palingkeras.

Dengan pengerasan permukaan, materialmenjadi lebih tahan terhadap keausan sedangkankekuatan bahan seeara keseluruhan tetap tinggisehingga umur pakai komponen akan meningkat.Berikut akan diuraikan baja karbon,bearing,danplasma nitriding.

Baja karbonBaja karbon!~J adalah paduan antara besi

(Fe) sebagai logam pokok dan karbon (C) sebagaiunsur tambahan. Baja karbon berisi kandungankarbon yang bervariasi sampai dengan 2%. Bajakarbon dapat digolongkan menjadi tiga jenis, yaitubaja karbon rendah, baja karbon sedang, dan bajakarbon tinggi.

Baja karbon rendah (low carbon steel)Baja karbon rendah adalah baja dengan

kandungan karbon kurang dari 0,2%. Baja karbonrendah memiliki sifat lunak tetapi ulet, dan sangatekonomis. Struktur mikronya terdiri dari fer/it danpearlit. Baja karbon rendah biasanya digunakanuntuk rangka mobil, baja struktur, dan pipa saluran.Baja karbon rendah dikelompokkan menjadi dua,yaitu:a) Baja karbon rendah dengan kandungan karbon

kurang dari 0,1%. Baja jenis ini seringdigunakan dalam pekerjaan konstruksi dingindengan proses deformasi dingin sepertipembengkokan.

b) Baja karbon rendah dengan kandungan karbonantara 0,1% - 0,2%. Baja jenis ini mempunyainilai kekuatan dan ketangguhan yang tinggi.Permukaan baja jenis ini sangat eoeok untukdikeraskan dengan metode nitridasi.

Baja karbon sedang (medium carbon steel)Baja karbon sedang adalah baja dengan

kandungan karbon antara 0,2 - 0,65%. Baja inimempunyai respon terhadap perlakuan panas yanglebih baik dari pada baja karbon rendah, oJeh karenaitu baja jenis ini selalu diproses dalam kondisi panas,misalnya dalam proses pengerasan (hardening).Baja karbon tinggi (high carbon steel)

Baja karbon tinggi adalah baja dengankandungan karbon antara 0,65 - 1,5%. Adanyakarbon yang banyak, menjadikan baja ini lebih tahankorosi dari pada baja karbon rendah. Kandungan

SEMINAR NASIONALSDM TEKNOLOGI NUKLlR VII

YOGY AKART A, 16 NOVEMBER 2011ISSN 1978-0176

karbon yang semakin tinggi akan meningkatkankekerasan tetapi menjadi rapuh dan getas. Olehkarena itu baja jenis ini yang memiliki kandungankarbon 1,3% jarang digunakan dalam industri.Bearing

Bearing!l, 3Jatau biasa disebut laker adalahsalah satu e1emen mesin yang banyak digunakan.Bearing terdiri atas tiga bagian utama yaitu eineinbagian luar, einein bagin dalam, dan ball bearingatau sering disebut bola peluru (gotri). Bearingberfungsi untuk menumpu beban, sehinggadiperlukan material yang ulet (tidak mudah peeah)dan memiliki permukaan yang keras (tidak aus).Bearing terbuat dari baja karbon rendah, sehinggasalah satu proses pengerasan yang eoeok adalahdengan eara plasma nitriding. Dalam penelitian inipermukaan einein bearing akan dikeraskan denganeara plasma nitriding. Nilai kekerasan permukaaneinein bearing setelah dilakukan proses plasmanitriding akan meningkat tanpa kehilangan sifat uletpada bahan tersebut.

Plasma NitridingPlasma nitriding adalah prosespembentukan

senyawa nitride (nitridasi) dengan menggunakannitrogen berbentuk plasma. Plasma nitrogen dapatdiperoleh dengan mengalirkan gas nitrogen (N~)dalam ruang di antara dua plat elektroda (anoda dankatoda) yang diberi beda potensial yang tinggi. Bedapotensial yang tinggi ini akan menimbulkan lueutanpijar dari nitrogen yang berupa plasma nitrogen.Mesin plasma nitridingPJ tertera pada Gambar 1.

Rulstance 0

DC Power ~Supply 1-1'-1

II,

Va<.Ulim Pump

Gambar 1. Skema mesin Plasma Nitriding

Plasma nitriding pada permukaan bajaadalah proses penambahan atom nitrogen pad apermukaan baja. Benda kerja atau substrat yangakan dinitridasi dipasang pad a katoda. Pad apermukaan baja akan terbentuk lapisan nitrida yangbersifat keras. Jenis baja yang dimaksud adalah bajakarbon rendah. Proses ini dilakukan pada ruangbertekanan rendah sekitar 0,2 mbar - 8 mbar dantemperatur 400°C sampai 600°C selama beberapajam (1-100 jam). Kekerasan permukaan yangdihasilkan tergantung dari jumlah atom nitrogenyangmasuk pada permukaan baja.Kandungan nitrogen

Sekolah Tinggi Teknologi NlIklir-BA TAN 512 Dwi Priyantoro dkk



setelah proses plasma nitriding dapat meningkat 0,7

% sampai 0,9 %. Parameter utama dalam proses inimeliputitemperatur, konsentrasi nitrogen, dan

lamanya proses.

PengaruhHidrogen

Pada proses plasma nitriding, dengan

penambahan gas H2 dalam jumlah yang besar[4J,

dapat menyebabkan lapisan nitride yang terbentuk

tidak homogen, akibatnya permukaan tidak begitukeras. Dalam keadaan lain, bila sedikit H2

ditambahkan pada proses plasma nitriding, karena

hidrogen memiliki sifat reduktor, maka dapatmenjadi pembersih[5] permukaan bahan substrat,

akibatnya lapisan nitrida yang terbentuk, sangat

rapat dan homogen. Dalam penelitian ini akan dicari

rasio komposisi campuran N2 terhadap H2 yangmemberikan nilai kekerasan permukaan yang

tertinggi.

Stuktur MikroPermukaan material memiliki struktur mikro tertentu

sesuai dengan kekerasannya dan dapat diamati

dengan mikroskop electron. Permukaan yang lebihkeras memiliki susunan butiran yang lebih rapat.

Ketebalan lapisan nitrida dapat diamati dari

potongan melintang benda kerja.Ketebalan difusi dapat dihitung dari persamaan :

x = 2eD x t)O.5 (1)

dengan x adalah kedalaman difusi (mm), D adalah

koefisien difusi (m2s'\ dan t adalah waktu nitridasi.Koefisien difusi D dapat dihitung dari persamaan

D = Doe-QI(RT) (2)dengan Do adalah koefisien difusi awal, Q adalah

energy aktivasi (lImo I), R adalah tetapan gas umum

(8,314 J mol'l K'I), dan T adalah temperature (K).Nilai Do adalah kofisien difusi awal, Q untukbeberapa jenis atom, tertera pada Tabel 1.

Tabell. Nilai koefisien difusi awal (Do) dan energy aktivasi (Q) untukbeberapajenis atom[6]

No Jenis atom yang larut dan Do (x10·4 m2s·l) Q (kJ morl)

pelarutCu dalam Cu

Zn dalam ZnAl dalam Al

Fe dalam aFe

Ge dalam Ge

Si dalam SiW dalam W

H dalam Fe

N dalam Fe

C dalam aFe

C dalam yFeV dalam Fe

Mn dalam Fe

Ni dalam FeZn dalam Cu

Ni dalam CuCu dalam AI

12

34

5

6

78

910

11

12

13141516

17

0,200,15

1,98118

9,3540043

0,0010,005

2,2

0,23.9

4,0

2,60,73

2,00,25

196

94143

281

288

477

65013

75122

142

244

3,05295

170230

121

2. METODOLOGI PENELITIAN

Tempat PenelitianPenelitian dilaksanakan di Pusat Teknologi

Akselerator dan Proses Bahan, Badan Tenaga Nuklir

Nasional (PTAPB BAT AN) Yogyakarta.

Alat penelitian

Alat yang digunakan dalam penelitian inimeliputi :

mesin Plasma Nitriding, mesin anneling, dan

mesin polis milik PTAPB BAT AN,alat potong baja dan alat uji struktur mikro dilaboratorium UNY,

alat uji kekerasan mikro di laboratorium bahanteknik UGM,

amplas nomor 100, 600, 1000, 1500, dan 2000mesh.

Bahan Penelitian : Cincin bearing bagian dalam

Langkah-1angkah PenelitianCincin bearing dipotong menjadi beberapa

bagian dengan ukuran 1em x 0,5 em x 0,4 em,

selanjutnya masing-masing disebut benda kerja atau

spesimen. Bearing sebelum dipotong tertera pad aGambar 2.Cincin bearing setelah dipotong, tertera

pada Gambar 3.


Gambar 2. Bearing sebelum di potong

Pada benda kerja dilakukan prosesannealing untuk menghilangkan tegangan sisa padasaat pembuatan. Selanjutnya benda kerja dipolishmenggunakan mesin polish hingga mengkilap.

Benda kerja dicuci dengan alkohol dan siapdimasukkan ke mesin plasma nitriding. Mesinplasma nitriding tertera pada Gambar 4.

Gambar 3. Cincin bearing setelah dipotong

Cara kerja mesin nitridasi ion adalah sebagai berikut

Langkah awal adalah udara dipompa dari tabungmesin nitridasi hingga mencapai tekanan 1,2 x 10-2

mbar. Vakum yang baik akan menentukan hasilyang lebih bersih dari kontaminasi.


YOGY AKART A, 16 NOVEMBER 20 IIISSN 1978-0176

Gambar 4. Mesin plasma nitriding milik PT APBB BATAN.

Gas nitrogen dialirkan ke dalam tabung.Pada saat gas nitrogen masuk tekanan di dalamtabung akan kembali naik. Dengan mengatur jumlahaliran gas, maka akan didapat tekanan yangdiinginkan dalam proses nitridasi.

Selanjutnya mesin plasma nitriding diatur[3Jpada tekanan 1,4 mbar, temperatur awal300 DC,

dan waktu nitridasi diset 3 jam.Pada saat tekanan sudah sesuai yang

diinginkan, tegangan catu daya mulai dinaikkanhingga terjadi proses ionisasi, tegangan ini biasanyadicapai pada 500-700 volt. Proses ionisasidiindikasikan dengan adanya nyala pijar dalamtabung,

Ion positif dalam plasma akan tertarik kekatoda dan menyebabkan terdeposisinya ionnitrogen.Nitridasi benda kerja dilakukan denganvariasi perbandingan gas nitrogen terhadap gashydrogen adalah 50%N2:50%H2, 60%N2:40%H2,

70%N2:30%H2, 80%N2:20%H2, 90%N2: I0%H2, dan100%N2:O%H2.

Pada saat jumlah gas, tegangan anoda dankatoda, dan besar arus telah seimbang, makatemperatur dari benda kerja akan stabil. Besartemperatur dan arus dapat di atur dengan mengaturtegangan antara anoda dan katoda.Besartemperatursubstrat diatur antara 400-500DC.

Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN 514 Dwi Priyantoro dkk



Setelah proses nitridasi berlangsung selama3 jam maka bed a potensial antara anoda dan katodaditurunkan pada titik terendah. Hal ini akanmengakibatkan temperatur dari substrat akanmenurun. Penurunan suhu dilakukan secara alami di

dalam tabung pelucutan dengan tekanan sesuaitekanan proses dan menutup saluran aliran gasnitrogen. Ketika mencapai suhu 40-60°C substratsudah dapat dikeluarkan dari tabungll].

Dalam penelitian ini akan dibandingkankekerasan permukaan cincin bearing sesudah dansebelum plasma nitriding. Alat uji kekerasan terterapada Gambar 5.

Gambar 5. Alat uji kekerasan Vickers milik UGM

Struktur mikro permukaan benda kerja yang telahdinitridasi yang memiliki kekerasan maksimumdiamati dengan mikroskop electron.

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil pengujian benda kerja berupa data nilaikekerasan permukaan bahan tertera pada Tabel 1.

Tabel1. Hasil pengujian kekerasan permukaanbenda kerjal2]

No Benda kerja N2H2Kekerasan

(%)(%)(VHN)

1Raw material 00 197

2Specimen 1 5050 193




6Specimen 5 9010290

7Specimen 6 1000283

Dari data pada Tabell.nilai kekerasanpermukaan bahan yang dinitridasi mengalamipeningkatan. Hal ini dapat diketahui denganmembandingkan nilai kekerasan permukaan bahansebelum dinitridasi (raw material) dan nilaikekerasan permukaan sesudah dinitridasi.

Gambar 6. menunjukkan hubungan an taratingkat kekerasan permukaan benda kerja (VHN)terhadapporsentase perbandingan N2:H2. Nilaikekerasan permukaan material tertinggi didapat padacampuran gas 90% N2:10% H2 dan terendah pada50% N2: 50% H2.




300

250 .•.- -..- -..------- - -.-.- ..-.--.-- -----.- ..

200

80: 20 90 : 10 100: 0

~~150

.>:"""

...>:..C

<{

100

50

o

(0,197)raw material

10:90 20: 80 30: 70

(50,193)

40:60 50:50 60:40 70:30%N2.:H2.

•••••••••••••••••••••••••••••••••_ ••••••• m •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••m •••••••••••••••••••••••••_. ••••••••••__ •••••••••• m •••••••••••••,

Gambar 6_Pengaruh variasi komposisi N~:H~ terhadap kekerasan permukaan bearing[2].

Dengan melihat nilai kekerasan dari grafikGambar6, kekerasan maksimum terjadi pada rasionitrogen dan hidrogen 90: 10 yaitu sebesar 290 VHN.Nilai kekerasan tersebut naik sebesar 47,2 % darinilai kekerasan material awal (raw material) yaitu197 VHN. Sedangkan untuk nilai kekerasanterendah terdapat pad a rasio 50:50 yaitu sebesar 193VHN.

Dari Gambar 6. dapat dilihat bahwa mulamula nilai kekerasan berkurang denganbertambahnya rasio hidrogen. Selanjutnya denganbertambahnya rasio nitrogen, kekerasan permukaanbertambah. Hal ini disebabkan karenanitrogenterdistribusi lebih merata sehingga kepadatannucleon menjadi lebih tinggi seperti yang terlihatpada Gambar 7. dengan demikian nilai kekerasansemakin besar dan menghasilkan permukaan yanglebih halus.

Sedangkan untuk rasio nitrogen semakinberkurang, nitrogen tidak terdistribusi secara meratasehingga kepadatan nukleonnya lebih sedikit,sehingakekerasannya semakin berkurang dan permukaannyalebih kasar, seperti terlihat pad a Gambar 8.

Struktur permukaan untuk nitridasi 100%nitrogen (Gambar 9) lebih kasar dari nitridasi 90 %N~ : 10 % H~dan kekerasannya juga lebih rendah.Hal ini dikarenakan pad a kondisi90 % N~ : 10 % H~,jumlah atom hidrogen dalam porsi yangsedikit( 10%), dapat berfungsi sebagai pembersih

untuk menghilangkan lapisan oksida padapermukaan benda kerja, sehingga proses nitridasidapat berlangsung sempurna dan kekerasannyapaling tinggi.

Gambar 7. Foto mikro permukaan cincinbearing yang dinitridasi dengan 90%N~: 10H~dengan pembesaran 100 kali.Kondisi 1m

memberikan permukaan paling halus dan kekerasanpaling tinggiYJ Kedalamam penetrasi dapat dihitungdengan persamaan (1) dan dapat dilihat dari skalagambar.

Seko/ah Tinggi Tekn%gi NlIklir-BA TAN 516 Dwi Priyantoro dkk



Peningkatan kekerasan maksimum sebesar 47,2%.

Saran

Perlu dilakukan penelitian lebih lanjuttentang proses nitridasi untuk komponen mesinlainnya.

5. Daftar Pustaka

Foto mikro permukaanbearingyang dinitridasi 100%nitrogen dengan pembesaran 100kali.Permukaan lebih kasar dan

kekerasan lebih rendah dari yangdinitridasi dengan 90 % N2 : 10 %HpJ

Gambar 8.

Gambar 9.

Foto mikro permukaanyang dinitridasi 50%N2 :dengan pembesarankali.Permukaan kasar

kekerasan paling rendah.[2]

bearing50% H2

100dan

1. Sadono, Teguh, Pengaruh Tekanan dan WaktuNitridasi Plasma (Ion) Terhadap kekerasanPermukaan Komponen Mesin (BearingLuncur)", Tugas Akhir STTN - BAT AN :Y ogyakarta, 2009.

2. Retno Ayu Utami, 2010, Pengaruh Variasi N2 :H2 pada Nitridasi Cincin Bearing bagiandalam dengan Teknik Plasma Nitriding,STTN - BAT AN Yogyakarta.

3. Nurjanah, Siti, 2010, Pengaruh Tekanan danWaktu Nitridasi terhadap Kekerasan CincinLuar Bearing yang dinitridasi menggunakanplasma nitriding", STTN-BATAN,Y ogyakarta.

4. Talib, R.J., dkk., 2007, Effect of N2.B2 Ratio onSurface Modifications of AISI 316 Plates byPlasma nitriding Process, University ofMalaya, Kuala Lumpur-Malaysia.

5. A. Zielinski, J. Cwiek, B. Blaszkiewicz. EfJeck ofPlasma Nitrided Layers on Low Alloy Steelon Its Hydrogen Degradation. Faculty ofMechanical Engineering, Gdansk Universityof Technology : Narutowicza 11/12,80-952Gdansk, Poland.

6. Bandriyana, Baban, dkk, "Teknologi NitridasiPlasma untuk Pengerasan Permukaan BahanKomponen Industri", Prosiding SeminarTeknologi Akselerator, P3TM-BA TAN,Yogyakarata, 2003.

7. Tjipto Sujitno, BA, Aplikasi plasma danteknologi sputtering untuk surface treatment,Diktat Worshop sputtering untuk rekayasapermukaan bahan, P3TM-BA TAN, 2003.

8. Cwiek, J. " Plasma Nitriding as PreventionMethod Against Hydrogen Degradation ofsteel" Gdansk University of Technology ,Faculty of Mechanical Engineering.

4. KESIMPULAN DAN SARAN

KesimpulanAngka kekerasan permukaan bearing

sebelum dinitridasi adalah 197 VHN.

Hasil plasma nitriding terhadap permukaan cincinbearingdengan variasi perbandingan N2danH2sebesar 50:50, 60:40, 70:30, 80:20, 90:10, dan100:0 menunjukkan bahwakekerasan permukaanmaksimum dicapai pada rasio N2 : H2sebesar 90 : 10dengan angka kekerasanVikers = 290 VHN.


PENGERASAN PERMUKAAN BEARING DENGAN TEKNIK …digilib.batan.go.id/ppin/katalog/file/1978-0176-2011-511.pdfpembengkokan. b) Baja karbon rendah dengan kandungan karbon antara 0,1% -

Documents

PENGERASAN PERMUKAAN BEARING DENGAN TEKNIK …digilib.batan.go.id/ppin/katalog/file/1978-0176-2011-511.pdfpembengkokan. b) Baja karbon rendah dengan kandungan karbon antara 0,1% -