BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar belakang

Uap atau steam dihasilkan dari proses penguapan. Bahan baku yang digunakan untuk menghasilkan steam adalah air bersih. Steam merupakan bagian penting dalam suatu industri. Steam banyak digukan di industri karena steam dapat dengan mudah dan murah untuk didistribusikan ke titik penggunaan, steam mudah dikendalikan, energinya mudah ditransfer ke proses, plant steam yang modern mudah untuk dikendalikan,dan steam bersifat fleksibel.Steam didistribusikan melalui pipa-pipa dan kran (valve). Pipa pipa membawa steam ke masing- masing peralatan. Ketika valve pada pipa steam yang melayani bagian plant dibuka, steam mengalir dari sistem distribusi masuk ke plant dan terjadi lagi kontak dengan permukaan yang lebih dingin. Steam kemudian memindahkan energinya dan menghangatkan peralatan. Dalam pendistribusian steam, valve memiliki peranan yang penting, yaitu untuk mengatur aliran suatu fluida dengan menutup, membuka atau menghambat sebagian dari jalannya aliran, juga untuk mengisolasi perpipaan untukmaintenancetanpa rintangan unit yang berhubungan dengan yang lain.Kecepatan steam yang tinggi akan mengerosi ruang valve dan sambungan-sambungan, suatu kondisi yang dikenal dengan wiredrawing. Steam yang berkontak dengan pipa yang lebih dingin akan mulai mengembun dengan cepat menyebabkan adanya tetesan air yang menyebabkan terjadinya korosi pada valve. Tetesan air juga akan meningkatkan korosi ditambah lagi dengan adanya oksigen dalam valve dan pipa. Seperti yang telah diketahui kerugian valve yang terkorosi, yaitu terjadinya kerusakan dan menyebabkan kebocoran, maka berbagai upaya dilakukan untuk mencegah dan mengendalikan korosi seperti pemilihan bahan menggunakan logam tahan korosi dan pelapisan dengan logam lain. Salah satu teknik pelapisan adalah implantasi ion. Oleh karena itu dalam makalah ini dibahas mengenai implantasi ion TiN pada baja tahan karat AISI 410 sebagai bahan konstruksi steam valve untuk menurunkan laju korosi. TiN merupakan logam transisi berbasis nitrida banyak digunakan sebagai bahan pelapis karena bersifat keras, koefisien gesekan rendah, tahan aus dan tahan korosi sehingga dapat meningkatkan umur material1.2. Perumusan masalah

Adapun yang menjadi permasalahan dalam makalah ini adalah bagaimana proses dan teknik implantasi ion TiN pada baja tahan karat AISI 410 sebagai bahan konstruksi steam valve untuk menurunkan laju korosi.

1.3. Tujuan

1. Untuk mengetahui teknik pengendalian korosi dengan metode implantasi

2. Untuk mengetahui proses implantasi implantasi ion TiN pada baja tahan karat AISI 410 sebagai bahan konstruksi steam valve3. Untuk mengetahui dosis implan optimum yang harus ditambahkan pada pada baja tahan karat AISI 410

1.4. Manfaat

1. Mengetahui teknik pengendalian korosi dengan metode implantasi

2. Mengetahui proses implantasi implantasi ion TiN pada baja tahan karat AISI 410 sebagai bahan konstruksi steam valve3. Mengetahui dosis implan optimum yang harus ditambahkan pada pada baja tahan karat AISI 410

1.5. Ruang lingkup1. Ion implan yang digunakan adalah TiN

2. Targer logam yang diimplan adalah baja tahan karat AISI 410

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Baja Tahan Karat

Baja tahan karat merupakan material yang tidak mudah terkorosi jika dibandingkan dengan baja karbon. perbedaan antara keduanya yaitu kandungan kromium dalam material tersebut. Kandungan kromium yang cukup tinggi pada baja tahan karat menghasilkan lapisan oksida pasif Cr2O3 pada permukaan baja tahan karat. Lapisan oksida ini yang menjadikan baja tahan karat tidak mudah terkorosi. Secara umum, baja tahan karat dibagi menjadi 4 kelas, yaitu (International Stainless Steel Forum)

2.1.1. Baja Tahan Karat Feritik

Baja tahan karat feritik umumnya memiliki kandungan kromium antara 12,5 17 %, dan tidak ada kandungan nikel. Baja tahan karat feritik memiliki ketahanan korosi dengan tingkat menengah jika dibandingkan dengan baja tahan karat yang lain.

2.1.2. Baja Tahan Karat Martensitik

Baja tahan karat pertama yang dikembangkan untuk keperluan komersil adalah baja tahan karat martensitik. Jika dibandingkan dengan baja tahan karat yang lain, baja tahan karat martensitik memiliki kandungan karbon yang sangat tinggi (0,2 - 1%), dengan kandungan kromium antara 12 - l8%.

2.1.3. Baja tahan karat austenitik

Penambahan nikel ke baja tahan karat akan menghasilkan struktur milro austenit. Secara umum, baja tahan karat austenitic memiliki komposisi rata-rata 16 - 26% kromium dan 6 - 12% nikel. Baja tahan karat austenitik memiliki ketahanan korosi yang sangat baik.

2.1.4. Baja Tahan Karat Duplex

Baja tahan karat duplex memiliki mikrostruktur gabungan antara feritik dan austenitik, kandungan kromium antara 18 - 260, serta kandungan nikel antara 4 - 7%. Kandungan nikel yang terlalu rendah tidak memungkinkan untuk mendapatkan struklur mikro austenitik, sehingga baja tahan karat duplex memiliki stuktur mikro feritik dan austenitik. Baja tahan karat duplex memiliki kandungan molibdenum 0 - 4%.

2.1.5. Baja Tahan Karat Martensitik AISI 410

Baja tahan karat martensitik mampu diberi perlakuan panas untuk meningkatkan sifat mekaniknya (sama seperti low-alloy steel atau plain-carbon steel). Ketahanan korosi yang dimiliki baja tahan karat martensitik berada pada tingkat menengah, dimana ketahanan korosinya lebih buruk dibandingkan dengan baja tahan karat yang lain.

Baja tahan karat merupakan kelompok baja paduan dengan komposisi kromium (Cr) tidak kurang dari 12 %. Unsur Cr memberikan sifat tahan korosi pada baja dengan cara membentuk lapisan kromium oksida sehingga menghalangi terjadinya oksidasi besi. Baja tahan karat martensit digunakan sebagai bahan yang mempertimbangkan kekuatan/kekerasan sebagai hal utama dan lingkungan yang tidak terlalu korosif. Baja tahan karat martensit memiliki ketahanan korosi yang lebih rendah dibandingkan dengan baja tahan karat austenit atau ferit. Baja tahan karat martensit banyak digunakan sebagai bahan bearing, cetakan, alat potong, komponen pesawat terbang dan turbin (Cardarelli, 2008).

Salah satu baja tahan karat martensit adalah baja AISI 410 yang merupakan baja tahan karat dengan komposisi kimia (dalam % berat): 0,12 C; 12,83 Cr; 0,43 Mn; 0,34 Si; 0,21 Ni dan 85,9 Fe. Penggunaan baja AISI 410 paling utama adalah sebagai peralatan potong seperti mata pisau karena dibutuhkan sifat kekerasan yang baik (Cardarelli, 2008). Selain itu, baja AISI 410 juga digunakan sebagai peralatan potong dan non-cutting pada peralatan bedah (ASTM F899, 1995). Penggunaan AISI 410 sebagai peralatan potong dan non-cutting pada peralatan bedah diharapkan memiliki kekuatan/kekerasan yang baik serta dapat bertahan lama (durability baik). Tetapi kondisi peralatan dapat menurun karena efek gesekan dan korosi pada penggunaan yang lama.

Tabel 2.1.5.1. Komposisi baja AISI 410

AISI 410CMnSiPSCrMoNiN

Min-----11,5-0,75-

Max0,151,001,000,040,0313,5-0,75-

2.2. Pencegahan korosi

Stainless Steel (SS) secara mendasar bukanlah logam mulia seperti halnya Emas (Au) & Platina (Pt) yang hampir tidak mengalami korosi karena pengaruh kondisi lingkungan, sementara SS masih mengalami korosi. Daya tahan korosi SS disebabkan lapisan yang tidak terlihat (invisible layer) yang terjadi akibat oksidasi SS dengan oksigen yang akhirnya membentuk lapisan pelindung anti korosi (protective layer). Sumber oksigen bisa berasal dari udara maupun air. Material lain yang memiliki sifat sejenis antara lain Titanium (Ti) dan Aluminium (Al).Secara umum protective layer terbentuk dari reaksi Kromium + oksigen secara spontan membentuk Krom-oksida. Jika lapisan oksida SS digores/terkelupas, maka protective layer akan segera terbentuk secara spontan, tentunya jika kondisi lingkungan cukup mengandung oksigen. Walaupun demikian kondisi lingkungan tetap menjadi penyebab kerusakan protective layer tersebut. Pada keadaan dimana protective layer tidak dapat lagi terbentuk, maka korosi akan terjadi. Banyak media yang dapat menjadi penyebab korosi, seperti halnya udara, cairan/ larutan yang bersifat asam/basa, gas-gas proses (misal gas asap hasil buangan ruang bakar atau reaksi kimia lainnya), logam yang berlainan jenis dan saling berhubungan dan sebagainya.2.2.1. Pencegahan korosi didasarkan pada dua prinsip berikut :

1) Mencegah kontak dengan oksigen dan/atau airKorosi besi memerlukan oksigen dan air. Bila salah satu tidak ada, maka peristiwa korosi tidak dapat terjadi. Korosi dapat dicegah dengan melapisi besi dengan cat, oli, logam lain yang tahan korosi (logam yang lebih aktif seperti seg dan krom). Penggunaan logam lain yang kurang aktif (timah dan tembaga) sebagai pelapis pada kaleng bertujuan agar kaleng cepat hancur di tanah. Timah atau tembaga bersifat mampercepat proses korosi.2) Perlindungan katoda (pengorbanan anoda)Besi yang dilapisi atau dihubugkan dengan logam lain yang lebih aktif akan membentuk sel elektrokimia dengan besi sebagai katoda. Di sini, besi berfungsi hanya sebagai tempat terjadinya reduksi oksigen. Logam lain berperan sebagai anoda, dan mengalami reaksi oksidasi. Dalam hal ini besi, sebagai katoda, terlindungi oleh logam lain (sebagai anoda, dikorbankan). Besi akan aman terlindungi selama logam pelindungnya masih ada / belum habis. Untuk perlindungan katoda pada sistem jaringan pipa bawah tanah lazim digunakan logam magnesium, Mg. Logam ini secara berkala harus dikontrol dan diganti.3) Membuat alloy atau paduan logam yang bersifat tahan karat,misalnya besi dicampur dengan logam Ni dan Cr menjadi baja stainless (72 % Fe, 19 % Cr, 9 % Ni).

2.2.2. Ion TiN

Paduan dengan dasar titanium banyak digunakan untuk peralatan medis karena memiiiki ketahanan korosi yang tinggi dan biocompatible. Paduan titanium banyak digunakan karena titanium mumi merupakan material lunak dengan ketahanan geser permukaan rendah, yang disebabkan karena terbentuknya oksida secara alami di permukaan titanium. Paduan titanium nitrida banyak digunakan karena keunggulan sifat yang dimiliki yaitu sifat mekanik dan kimia yang baik, seperti nilai kekerasan yang tinggi, ketahanan korosi dan ketahanan aus yang tinggi. Titanium nitrida banyak digunakan sebagai bahan pelapis material untuk meningkatkan sifat pada permukaan logam, penggunaan titanium nitrida sebagai bahan pelapis selain bertujuan untuk mendapatkan perbaikan sifat pada permukaan logam, juga dapat digunakan sebagai pelapis dekoratif .Tabel 2.2.2.1. Karakteristik Titanium Nitrida

KarakteristikKeterangan

KomposisiTiN 0,6 TiN 1,1

Berat Molekul64,95

WarnaKeemasan

Massa Jenis5,4 g/cm3

Titik Leleh29500C

Kalor Spesifik33,74 J/mol.K

Thermal Expansion9,35 x 10-6/0C

Modulus Elstisitas251 Gpa

BAB III

PEMBAHASAN

3.1. Implantasi Ion Tin

Implantasi ion adalah suatu proses penambahan unsur asing (dopan) kedalam permukaan material sasaran dengan cara pengionan atom asing tersebut, pemercepatan dalam tabung akselerator/pemercepat oleh medan listrik, pemfokusan dalam medan elektromagnet kemudian menembakkannya ke permukaan material target. Selama proses implantasi, ion-ion akan berinteraksi dan bertumbukan dengan elektron-elektron dan inti target, sehingga ion-ion yang diimplantasikan akan kehilangan energi dan akhirnya berhenti pada jarak tertentu. Proses pencangkokan ion-ion ini dapat mengubah komposisi dan struktur suatu bahan.

Gambar 3.1.1. prinsip implantasi ion

Gambar 3.2.2. kerusakan susunan atom pada target

Hal yang perlu diperhatikan dalam implantor ion adalah dosis ion. Dosis ion didefinisikan sebagai jumlah ion yang sampai pada permukaan target persatuan luas (ion/cm2). Besaran ini akan menentukan jumlah atau prosentase ion yang terimplantasi. Nilai dosis ion sebagai fungsi arus berkas ion dan lamanya proses implantasi (detik).

3.2. Rumus Penentuan Dosis Implan

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:

dimana:D = dosis ion per satuan luas (ion/cm2)

I = arus berkas (Ampere)

t = waktu implantasi (second)

q = charge state (+1, +2,..)

e = muatan elektron (1,602 x 1019 coulomb)

A = luas berkas ion (12,57 cm2)

Kedalaman implantasi ion:

dimana: M1 = massa ion dopan (sma)

M2 = massa atom target (sma)

Z1= nomor atom ion dopan

Z2= nomor atom target

E = energi ion dopan (eV)

N0=kerapatan atom target (atom/cm3)

dengan:(atom/cm3) Dimana: = rapat massa atom target (g/cm3)

NA= bilangan avogadro (6,02 x 1023 atom/g atom)

3.3. Reaksi Korsi Baja Sebelum / Sesudah Implan Terhadap Laju Korosi

Gambar 3.3.1. Pengaruh waktu implantasi TiN terhadap kekerasan

Gambar 3.1. memperlihatkan bahwa kekerasan meningkat untuk lama implantasi naik dari 1 sampai 3 jam, dan selanjutnya kekerasannya menurun bila lama implantasi lebih besar daripada 3 jam. Peningkatan waktu implantasi ion dapat meningkatkan kekerasan baja AISI 410 hingga 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.

Distribusi laju korosi ditunjukkan pada Gambar 3.2. 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 3.3.2. Pengaruh Implantasi Ion TiN Terhadap Laju Korosi Baja Tahan Karat AISI 410

Hubungan antara waktu implantasi dengan laju korosi ditunjukkan pada Gambar 3.2. Hubungan antara waktu implantasi dengan laju korosi menunjukkan kesesuaian dengan grafik hubungan antara kekerasan dengan waktu implantasi. Peningkatan waktu implantasi akan menurunkan laju korosi hingga 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 saatmaterial diimplan titanium nitrida pada dosis ion optimum. 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 rapat. Dengan demikian keadaan 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 410secara 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 tahan karat martensitik AISI 410.

http://digilib.its.ac.id/ITS-Undergraduate-3100011043234/15392/steam-bend-direbus