Analisis Umur Pahat Bubut Baja Kecepatan Tinggi Yang DiimpLantasi Ion Nitrogen (Mudjijana)
ANALISIS UMUR PAHAT BUBUT BAJA KECEPATAN TINGGI YANG DIIMPLANTASI ION NITROGEN
Mudjijana Pusat Studi Ilmu Teknik, Jurusan Teknik Me~in,
J), Bulaksumur, UGM, Yogyakarta
ABSTRAK
ANALISIS UMUR PAHAT BUBUT BAJA KECEPATAN TINGGI YANG DllMPLANTASI ION NITROGEN. Bahan HSS dibuat benda uji berukuran IOxlOxl0 mm untuk diimplantasi ion nitrogen dengan 6 variasi energi dan dosis ion. SampeJ basil implantasi ini diuji kekerasannya dengan mikro hardness Vickers dengan beban 1 0 grt~ kemudian dianaJisis untuk mendapatkan kekerasan maksimal. Kondisi dosis dan energi pada basil nilai kekerasan Vickers maksimal, digunakan untuk mengimplantasi sisi potong pahat baja kecepatan tinggi. Pahat bubut yang tidak diimplantasi dan diimplantasi dipakai untuk membubut baja karbon medium dengan 6 variasi kecepatan potong dengan laju pengumpanan 0,09 mm/putaran dan tebal pemotongan 1 mm. Lebar keausanflank pahat (VB) bubut diukur dengan travelling microscope sampai mencapai VB = ...{},3 mm dan dicatat
waktu pemakaiannya. Hasil penelitian menunjukkan nilai kekerasan maksimal dicapai pada energi 100 keY dan dosis ion 2,516 x 1016 ion/cm2 yaitu 1219 VHN 0,01, dan kekerasan awal sebesar 595 VHN 0,01. Pahat bubut yang diimplantasi ion nitrogen pada energi dan dosis ini, pada kecepatan potong 25 rnlmenit menghasilkan peningkatan umur pahat 83 0/0.
Kala kunci : lmplantasi ion-nitrogen, dosis ion, hardness, baja kecepatan tinggi, umur rahat
ABSTRACT
THE ANALYSIS OF TURNING TOOL LIFE ON NITROGEN-ION-IMPLANTED HIGH SPEED STEEL. HSS materials was made a specimen of 10 x 10 x 10 mm dimensions tor being implanted with nitrogen ion with 6 variations of energies and ion doses. The nitrogen ion implanted HSS were tested with mikro Vickers hardness of 10 grf, and were analyzed so that a maximum hardness number can be determined. The condition of ion energy and dose of the maximum hardness number was used to implant HSS turning tool cutting edge. Unimplanted and implanted turning tool were applied to turn a medium carbon steel with cutting speed variations with teeding of 0.09 mmlrevolution and cutting thickness of 1 mm. 'Wear flank width on turning tool was measured using a travelling microscope until to VB 0 --{).3 mm and tool life was recorded. The result of the research shows
that maximum hardness number was tound at energy of IOD keY and ion dose of2.516 x 1016 ion/cm2 that is 1219 VHN 0.01 trom the initial hardness number of595 VHN 0.01. The turning tool of nitrogen-ion implanted on this energy and dose, at cutting speed of 25 mlminute improved the tool lite by 83%.
Key words: Nitrogen-ion implantation, ion dose, hardness, high speed steel, tool lite
Telah diteliti profil kekerasan mikro basil
implantasi ion nitrogen pada bahan karbida tungsten
(WC) danbaja tempa [3].lmplantasi dibawah suhu200oC
menghasilkan pelunakan karbida tungsten, tetapi
implantasi pada suhu 500°C menghasilkan kekerasan
yang berarti. Penganilan setelah implantasi ion tidak
merubah kekerasannya. Implantasi ion pada karbida
tungsten (WC) dapat memberikan kekerasan mikro
maksimum dengan dosis ion 2 x 1017 ionlcm2 pada energi
50 keY Sedangkan implantasi ion nitrogen pacta baja
tempa (0,4%C, 0,8%Mn) pada suhu 225°C dengan dosis
7 x 1017 ion/cm2pada energi 50 keY mernberikankekerasan
mikro berarti sampai kedalaman 5 1.I.ffi. Telah dilakukan
juga sturn tentang mikroanalitik permukaan 5 macam
bahan baja (1018,52100, M-2, 440C, dan 304) yang
diimplantasi ion nitrogen. Mikroanalisis dilakukan
dengan Secondary Ion Mass Spectrocopy (SIMS)
PENDAHULUAN
Umur pabat bubut mempakan tinjauan ekonomi
paling penting pacta pemotongan logam. Peningkatan kualitas pahat akan meningkatkan umur pahat yang menguntungkan [I]. Untuk meningkatkan umur pahat dari HSS akan dicoba bahan pahat ini diimplantasi ion w+ dengan menggunakan akselerator ion pada sisi potongnya. Tujuan penelitian ini adalah menganlati pengamh kecepatan potong (V) terhadap umur pahat (T) bubut HSS yang diimplantasi ion N2+ pada permukaan sisi potongnya. Kedalaman lapisan nitrida besi pada sisi potong pahat bubut dipengaruhi oleh variasi dosis ion N2+ (D), energi kinetik rerata (Eo)' dan lamanya proses implantasi (t). Umur pahat ditentukan dengan lebar keausan VB~0,3 mm. Pahat bubut HSS banyak digunakan untuk membubut logam-logam lunak dan mempunyai komposisi C = 0,7 %, Cr = 4 %, V = 1 %,
danW= 18%[2].
147
Prosiding Pertemuan llmiah lbnu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2002 Serpong, 22 -23 Oktober 2002 lSSN 1411-221,
ditunjukkan pada Gambar 1 [1,10]. Sedangkan umur pabat bubut adalah waktu pemotongan yang diperlukan untuk mencapai kriteria umur pabat.
Antara umur pabat (T) dengan kecepatan potong (V) , Taylor telah menentukan hubungan yang dapat ditulis sebagai berikut [I],
Yr'=C (1)
dengan, n = Konstanta V = Kecepatan potong, mlmenit T = Umur pabat, menit C = Konstanta
Kecepatan potong pahat dihitung dengan persarnaan [1,S,II]
V=7tDn/lOOO (2)
menunjukkan babwa pada bahan baja 1018 dan 304 dapat diimplantasi ion nitrogen lebih banyak dibandingkan dengan bahan baja yang lain [4]. Imp1antasi ion nitrogen pacta baja perkakas dapat memperbaiki ketahanan aus [5]. Implantasi ion nitrogen pada bahan pabat krom tinggi akan mengurangi laju keausan karena akan terbentuk tegangan sisa tekan pacta lapisan permukaan berupa nitrida keras [6]. Telah dilakukan pula analisis unsur nitrogen yang terimplantasi pada bahan besi (Fe) dengan FNAA ( Fast Neutron Activation Analysis) [7]. Pada penelitian ini diperoleh basil untuk dosis 2 x 1017 ionlcm2 dan energi 30 keY, kandungan unsur N2+ yang terimplantasi 8%atau 2,3% berat.
Sudut tata1 dan jalan bebas pahat bubut bervariasi tergantung pacta macam bahan yang dikerjakan. Untuk bahan yang dibubut daTi bahan baja karbon medium dibuat sudut tatal-1 00 -150 dan sudut jalan bebas 60 -120 [8,9]. Untuk pemotongan kasar dianjurkan 60-80 SFPM (Surface Feet Per Minute) daD untuk pemotongan akhir dianjurkan 100 SFPM. Sedangkan umur pahat tergantung pada suhu pemotongan, patahnya ujung pabat, dan keausan pabat. Panas pada ujung pahat akan menyebabkan pahat menjadi lunak dan pabat akan menjadi aus dan patahnya ujung pahat. Patahnya ujung pahat disebabkan gaya pemotongan ujung pahat terlalu besar dan pabat kurang sempurna ikatannya dapat terjadi getaran daD chatter. Pemilihan kecepatan potong pahat tergantung pacta jenis bahan, besar pemakanan, dalarnnya pemotongan, kualitas permukaan akhiryang diinginkan, kondisi mesin, jenis pahat potong dan pendinginan yang digunakan. Kriteria umur pabat didefinisikan sebagai nilai ambang ukuran keausan pabat. Kriteria yang direkomendasikan oleh ISO untuk mendefinisikan umur pabat efektifpada pabat baja kecepatan tinggi atan pabat keramik ada1ah
(1) Kegagalankatastropik, (2) VB~0,3 rnrnjikakeausan flank teratur dalam zona B, (3) VBrnlX = 0,6 mm jika
keausanflanktidak teratur dalam zona B. Untuk keansan pahat ujnng tungga1 da1am operasi pembubutan
dengan, V = kecepatan potong , mlmenit D = diameter benda keIja, m n = putaran benda keIja, Rpm
Pahat bubut yang diimplantasi ion w+ akan menjadi lebih keras dan mempunyai ketahanan aus lebih tinggi sehingga dapat menaikkan umur pahat. Baja tahan karat yang diimplantasi ion nitrogen dapat meningkatkan kekerasan sampai 200% pada dosis 2, 79906xl 017 ion/cm2 dan energi 50 keY [12]. Demikian pula baja karbon medium yang diimplantasi ion w+ dapat menaikkan kekerasan sampai 24% pada dosis ion 4,4785 x 1017 ion/cm2danenergi60keV[13]. Teba1lapisan keras dipengaruhi oleh dosis ion nitrogen (D), energi kinetik rata-rata (Eo), dan lamanya implantasi ion. Besarnya dosis ion dapat ditentukan dengan
persamaan [14],
D = It/eA (3)
dengan, D = dosis ion, ionlcm2 t = lamanya implantasi , detik I = arus ion, Ampere e = muatan keunsuran elektron,
1,6 x 10-19 coulomb A = luas berkas ion, 19,63 cm2
METODEPENELITIAN
Pahat bubut ujung tunggal dan operasi pembubutan ditunjukkan pada Gambar 2. Bahan pahat bubut HSS dibuat 36 benda uji 10 x 10 x 10 mm diimplantasi ion N2+ dengan akselerator ion menggunakan 6 variasi dosis ion (D) dan energi (Eo) untuk mencari kekerasan mikro Vlckers(VHN) maksimal. Tebal lapisan tipis nitrida besi dan bentuk keausan dibagian sisi potong pahat bubut basil implantasi ion nitrogen diamati dengan SEM. Selanjutnya bahan HSS dengan ukuran penampang lOx 10 mm dan panjang 120 mm dengan mesin gerinda potong pahat dibuat 36 buah pahat bubut seperti ditunjukkan pada Gambar 2 dengan sudut jalan bebas (a.) = 8:r:1 °, sudut tatal (y) = 10,5:f:1,5°, sudutpotong (~) = 73,5:f:1.5°, 18buah
~A.A
tunggal [1].
148
4nalisis Umur Pahat Bubut Baja Kecepatan Tinggi Yang Diimplantasi Ion Nitrogen (Mudjijana)
diimplantasi ion w+ pada sisi potongnya pada kondisi energi dan dosis ion yang memberikan nilai kekerasan Vickers maksimal. Delapan belas (18) buah pabat yang tidak diimplantasi clan 18 diimplantasi dipakai untuk membubut bahan baja karbon medium dengan variasi
kecepatan potong (V) dengan laju pemakanan 0,09 mm/putaran dan tebalpemotongan 1 mm. Umur pahat ditentukan saat Ie bar keausan mencapai VB ~ 0,3 mm diukur dengan travelling microscope.
Selanjutnya analisis semua data pengujian dan dibuat kurva umur pahat (T) sebagai fungsi kecepatan
potong (Y)o
Tabell. Angka kekerasan Vickers pada permukaan bahan pahat HSS setelah diimplantasi ion nitrogen berbagai energi (a) clan diimplantasi ion nitrogen berbagai dosis (b).
a. Angka kekerasan Vickers dengan berbagai variasi energi Eo
b. Angka kekerasan Vickers dengan berbagai dosis ion
No Kekerasan (VHN) IOgrfOasis ion 1 "lnl.:__'__~Ol.. I X IV IOll/cm I
1 0.2795 896 2 0.8386 925 3 1.62 1004 4 2.516 1219 5 3.354 969
.6 4.193 735 ,
food'~t Gambar 2. Pahat bubut ujung tunggal clan operasi
pembubutan [1].
RAsa DAN PENBAHASAN Energi,KeV Gambar 3a. Grafik hubungan kekerasan Vickers (VHN) terhadap energi kinetik rata- rata ion (Eo).Pengujian Kekerasan Mikro
Pada Tabell a,b dan Gambar 3a,b disajikan basil pengujian kekerasan Vickers beban 10 grf pada perrnukaan bahan pahat HSS yang non implantasi dan diimplantasi ion nitrogen pada 6 variasi dosis ion dengan energi .100 keY. Kekerasan awal bahan yaitu 595 VHN 0,01. Pada energi 100 KeV kondisi angka kekerasanmaksimal sebesar 1015 VHN 0,01, sedangkan padadosis ion2,516 x 1016 ion/cm2dicapaikondisi angka kekerasanmaksimal sebesar 1219VHN 0,01. Peningkatan angka kekerasan disebabkan ion-ion nitrogen yang mempengaruhi posisi intertisi diantara atom-atom bahan pahat HSS. Fenomena ini akan mengakibatkan pengerasan lamt padat intertisi, disebabkan atom nitrogen mempunyai diameter atom = 0,071 nm, sedangkan atom Fe = 0,1241 nm, W = 0,1367 nm, dan Cr = 0, 1249 nm .Bila jumlah ion nitrogen telah melampaui
batas kelarutan, maka berangsur-angsur akan terbentuk rase barn Fe-N (Fe4N) yang merniliki sifat lebih keras dari rase induknya. Terbentuknya rase barn tersebut tergantung pada dosis ion yang diberikan. Selain itu, selama proses implantasi ion nitrogen juga terbentuk cacat -cacat sisipan yang akan menimbulkan medan tegangan dalam, akibatnya memberikan kontribusi terhadap peningkatan kekerasan permukaaan bahan.
Gambar 3b. Grafik hubungan kekerasan Vikers (VHN) terhadap dosis ion nitrogen (D)
Pada Tabella,b dan Gambar 3a,b juga tampak bahwa peningkatan kekerasan permukaan sebanding dengan peningkatan dosis ion dan energi. Hal ini karena peningkatan dosis ion berarti semakin banyakjumlah ion nitrogen yang terlarut sehingga akan mulai tetbentuk rase barn Fe4N walaupun belum optimal. Tetapi dengan bertambahnya dosis ion setelah kekerasan optimal, justru kekerasannya akan semakin menurun, hal ini dimungkinkan karena selama proses implantasi terjadi
111Q
Prosiding Pertemuan llmiah lbnu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2002 Serpong, 22 -23 Oktober 2002 ISSN 1411-2213
kenaikan suhu benda kerja (::!: 125 DC) yang akan mengakibatkan ion-ion nitrogen berdifusi ke tempat yang lebih dalam sehingga konsentrasi ion nitrogen pada permukaan bahan akan berkurang yang akan mengakibatkan penurunan kekerasan permukaannya.
Pengamatan Tebal Lapisan Tipis Nitrida Besi
Jangkauan proyeksi ion nitrogen yaitu masuknya ion nitrogen ke substrat pabat bubut sampai ion berhenti secara teori dapat dihitung daD mendapatkan nilai: 1801,65 x 2 = 3603 Ao [15].Pengamatan teballapisan tipis
nitrida besi dengan SEM ditunjukkan pada Gambar 4 yang berjarak -1 mm dari ujung pahat. Bagian tampak putih merupakan lapisan nitrida besi pacta sisi potong pabat sekitar 1~ = 10000 A, berarti acta selisih sekitar
6397 A dibandingkan dengan jangkauan proyeksi ion secara teoritis. Hal ini terjadi karena selama proses implantasi ion mungkinjuga terjadi proses difusi ion- ion nitrogen ke lapisan lebih dalam pada bahan substrat HSS, proses difusi tersebut dipercepat dengan naiknya
suhuselamaproses implantasi (:i:125°C).
Gamba, 4. Pengamatan lapisan nitrida besi pad a sisi potong pahat bubut HSS
Pengujian Umur Pabat
Pada Gambar 5 disajikan grafik hubungan kecepatan potong (Y; mlmin) vs umur pahat (T, mill). Pada grafik terlibat jelas untuk kecepatan potong rendah 25 m Imenit pahat HSS yang diimplantasi ion nitrogen mempunyai umur pahat yang lebih lama 83 % daTi pada yang tidak diimplantasi. Hal ini sesuai harapan bahwa bahan yang diimplantasi akan meningkat kekerasannya daD menambah umur pabat. Namun pada saat kecepatan potong sekitar 48 mlmenit umur pakai pahat yang diimplantasi daD tidak diimplantasi umurnya mendekati sarna. Hal ini dapat terjadi disebabkan pada saat proses
pemotongan dengan pahat diimplantasi dengan kecepatan potong diatas 48 mlmenit ujung pahat yang diimplantasi mengalami penumpukan panas dan karena panas yang semakin meninggi maka pada saat tertentu lapisan nitrida besi akan lepas dari logam induknya. Hasil pengamatan pada proses pembubutan menunjukkan bahwa peningkatan keausan relatiflambat pada awal pembubutan daD melonjak tajam pada saat lapisan implan telah lepas daTi logam induknya. Namun demikian walaupun keausan terukur telah memenuhi syarat maksimum, pabat bubut yang diimplantasi masih mampu melakukan pengirisan dengan baik, karena pada sisi sudut tatal yang juga diimplantasi tidak mengalami keausan yang berarti, sehingga walaupun ujung pahat sudah aus danjIankwear sUdah lebar, tetapi ujungpahat belum tumpul daD masih cukup tajam untuk melakukan pengirisan. Hal ini tampak dati permukaan benda kerja yang relatif masih halus daD tidak adanya getaran akibat daTi kegagalan katastropis. Sedangkan untuk pabat yang tidak diimplantasi, dengan bertambahnya keausan ujung pabat, keausanjIank juga semakin lebar. Sisi potongnya juga semakin tumpul akibat dari terkikisnya sisi sudut tatal, sehingga untuk pahat non implan jika pabat sudah
"2 0)
-r-
Gambar 5. Grafik hubungan kecepatan potong (V) daD Umur pahat(T)
aus tidak dapat dipergunakan lagi. Hasil analisis data yang disajikan pada Tabel 2
dengan persa111aan Taylor hubungan kecepatan potong (V) daD umur pahat (T) untuk pahat tidak di implantasi adalah VT 0,6526 = 882,88 sedangkan untuk pahat
150
500
400
300
200
100
0
20
Analisis Umur Pahat Buhut Baja Kecepatan Tinggi lanK Diimplanta.fi Ion Nitrogen (Mudjijana)
diimplantasi adalah VTO4577 = 386,9. Kedua nilai C dan
n untuk pabat tidak di implantasi dan pabat di implantasi menunjukkan perbedaan. Nilai ini akan berbeda pula untuk setiap perlakuan yang dilaksanakan pada saat
pengujian.
[6]. KRSEK, A., OSANNO, P.H., PROSTREDNIK, D., URL : http//aum ift tuwien ac.at/cite html (Online, diakses 8 September 2000).
[7]. NURAINI, E., SUSITA, L., SUDJATMOKO, SUYITNO, T., Analisis Unsur Nitrogen Yang Terimplantasi pada Bahan Fe dengan FNAA, Makalah Pada Pertemuan /lmiah Penelitian Dasar I/mu Pengetahuan don Teknologi Nuklir,
Yogyakarta, (1997). [8]. JOHNSON, H. V., General Insdustrial. Machine
Shop, Third Edition, Chas.A.Bennett Co, Illinois, USA, (1979).
[9]. POLUKlllN, P., GRINBERG, B., KATENIK, S., ZHADAN, V, VASILYEY; D., Metal Proces... Engineering, Fourth Printing, Mir Publisher, Moscow, (1977).
[10]. VENKATESH, VC., CHANDRASEKARAN, H., Experimental A-!ethodes in Metal Cutting, Eastern Economy Edition, Prentice Hall, New Delhi, (1982).
[II]. GERLING, H., HELLER K.H.,AIIAboutMachine TooL.., Willey Eastern Limited, New Delhi, (1965).
[12]. MUDJlJANA, SUDJATMOKO, SUYITNO, SUDJATMOKO, A., Karakterisasi Implantasi Ion Nitrogen Pada Bahan AISI SS 304 L, Pro...iding Seminar Na.\"ional Mikroskopi don Mikroanali...i.\" III. ISMM,Serpong. (1998).
[13]. MUDJIJANA, Pengaruh Variasi Kecepatan Potong Terhadap Umur Pahat Bubut Baja Kecepatan Tinggi Yang Diimplantasi Ion Nitrogen, Laporan Penelitian, Fakultas Teknik UGM,
Yogyakarta, (2001). [14]. RYSSEL, H., RUGE, I., Ion Implantation, John
Willey & Sons, Chichester, Great Britain, (1986). [15]. MUDJIJANA, Pengaruh Nitridasi Permukaan
Poros Baja pada Ketahanan Lelah, Mediagama, Jurnal Lembaga Penelitian Universitas Gadjah
Mada, ll(I), (2001).
KESIMPULAN
Dari basil-basil penelitian dan pembahasan dapat disimpulkan sebagai berikut. I.Implantasi ion nitrogen pada sisi potong pahat HSS pada dosis ion 2.516 x 1016 ion/cm2 daD energi 100 keY menghasilkan kekerasan 1219 VHN 0,01 daTi kekerasan awal sebesar 595 VHN 0,0 1 atau mengalarni peningkatan kekerasan sebesar 105%. 2. Umur pahat HSS yang diimplantasi ion nitrogen mengalami peningkatan sekitar 83% pada kecepatan potong 25 mlmenit , daD mengalami penurunan dengan
bertambahnya kecepatan potong.
UCAPAN TERIMA KASm
Ucapan terima kasih disampaikan kepada Lembaga Penelitian UGM yang telah memberi dana penelitian melalui anggaran DIKS-UGM; Kontrak No.; 1726/JOl/PL.O6.05/2001, tangga12 April 2001, P3TM BATAN Yogyakarta daD BATAN Puspiptek Serpong, CITS-PSIT UGM, saudara Sularso Pani, Rakhmat P. Siregar, Joko Suprijanto, Bambang, daD semua pihak yang telah membantu dalam penelitian ini.
DAFTARPUSTAKA
[1].
[2J.
TANYAJAWAB
[3]. Yunanto, P3TM-BATAN Pel1anyaan t. Mengapa pacta kecepatan tinggi kemampuan
memotong menurun '?
BOOTHROYD, G., Fundamental of Metal and Alachining Tools, International Student Edition,
McGraw-Hill, Tokyo, Japan, (1975),112. BRICK, R.M., PENSE, R.W., GORDOM, R.B., Structures and P;operties of Engineering Materials, Fourth Edition, International Student
Edition, McGraw-Hili, Kogakusha, Tokyo, Japan, (1977). DEARNALE'r: G., MINTER, F.J., ROL, P.K. SAINf, A., THOMSON, V., Microhardness and Nitrogen Profiles in Ion Implanted Tungtens Carbide and Steels, Nuclear Instruments and Methodx in
Physics Research, 87/8, (1985),188-194. DODD, C.G., MEEKER, G.P., BAUMANN, S.M., NORBERG, J.C., LEGG, K.O., Surface Microanalitycal Studies of Nitrogen Ion Implanted Steel, Nuclear In.\"trumentx and Methodx in Physic.\" Re.\"earch, 87/8, (1985), 219-227. IWAKI, M., Formation of Metal Surface Layers with High Performance by Ion Implantation, Nuclear Instruments and Methods in Phyxics
Research, 837/38, (1989),661-666.
Jawaban 1. Pada kecepan tinggi akan timbul /terjadi panas yang
tinggi pada sisi potong pahat yang akan menyebabkan lapisan tipis nitrida besi daya ikatnya melemah sehingga menurnnkan kemampuan potong.
[4].
[5].
151
DAFTAR ISI
ANALISIS UMUR PAHAT BUBUT BAJA KECEPATAN TINGGI YANG DIIMPLANTASI ION NITROGEN
ABSTRAK
PENDAHULUAN