ISSN 0216-3128 Yunanto, dkk.180

D EPOSISI LAPISAN TIPIS Zn UNTUK LAPISANPELINDUNG .P ADA Fe DENGAN TEKNIK SPUTTERING

BENTUK SILINDER

Yunanto, BA Tjipto Sujitno, Suprapto,. Sabat SimbolonPuslitbang Teknologi Maju Batan Yogyakarta

ABSTRAKDEPOS/S/ LAP/SAN T/P/S Zn UNTUK LAP/SAN PEUNDUNG PADA Fe DENGAN TEKN/KSPUTTERING BENTUK S/UNDER. Telah dilakukan deposisi lapisan tipis Zn pada substrat Fe denganteknik sputtering bentuk silinder. Tujuan penelitian ini adalah memberikan perlindungan Fe terhadapkorosi dengan lapisan tipis Zn. Metode sputtering ini dikhususkan untuk memberikan perlindungan suatukomponen dengan bentuk yang rum it. Tempat substrat berfungsi juga sebagai anoda, sedangkan targetbentuk silinder dari Zn sebagai katoda. Ion argon dari anoda menembaki bahan Zn dengan energi yangCUkzlp kuat untuk melepaskan atom Zn. Atom Zn akan terhambur kesegala arah dan sebagian dtarik olehanoda membentuk lapisan tipis Zn pada permukaan Fe. Untuk mengetahui unsur Zn telah merekat padasubstrat Fe dilakukan pengamatan unsur dengan XRF dan laju korosi dengan potensiostat. Dari hasilpengukuran yang dilakukan diperoleh penurunan laju korosi dari 0,05/ mpy menjadi 0,03/ mpy padakandungan Zn pada substrat Fe 0,63 %.

ABSTRACTZn THIN FILM DEPOSITION FOR Fe LAYER SHIELDING USE THE SPUTTERING TECHNIQUE ONCYLINDRYCAL FORM. Deposition of thin film on Fe substrat use sputtering technique on cylindrycalformwas carried out. The purpose of this research is to protect Fe due to the corrosion with Zn thin film.Sputtering methode was proposed to protect a component of complex form. Substrat has function as anode.meanwhile target in cylindrycal form as a cqrhode. Argon ion from anoda bombard Zn with enough energyfor releasing Zn. Zn atom would scatter and some of then was focused on the anode. For testing Zn atom onFe by using XRF and corrosion rate with potensiostat. It was found that corrosion rate was decreasedfrom0.051 mpy to 0,031 mpy On 0,63 % of Fe substrat.

PENDAHULUAN Bahan Zn merupakan bahan yang mudahterkorosi karena bahan Zn lebih anodik dari padabesi pada deret galvanik. Selain itu bahan Cd danMg juga mudah terkorosi, tetapi bahan Zn akanmembentuk lapisan tipis yang melindungi darikorosi hila membentuk senyawa oks ida, hidroksidadan karbon at basa. Ketahanan korosi bahan Znsetelah terbentuk senyawa akan lebih tahan terhadapkorosi dari pada bahan Fe().

Lapisan tipis Zn ini akan melindungi bahan

Fe dengan waktu yang cukup panjang. Tetapi jugaberfungsi sebagai tumbal hila lapisan tip is tesebutmengalami retak atau pecah. Lapisan tipis Zn iniakan diserang terlabih dahulu sebelum bahan Fediserang korosi. Ketahanan lapisan tipis Znterhadap korosi tidak tergantung dari metodepelapisannya. Ketahanan korosi lapisan tipis Zn

akan bertambah baik dengan perlakuan panassetelah proses palapisan. Perlakuan panas ini untukmerangsang proses difusi memintas antara muka

logam yang dilapis dan pelapis.

U ntuk mempertahankan sesuatu komponen

supaya tidak terkorosi misalnya pada kerangka

badan mobil, menara transmisi, komponen bentuktidak beraturan perlu dilakukan suatu proses supayakomponen tersebut tidak mudah terkena korosi.Selama ini untuk meningkatkan ketahanan korosikerangka mobil menggunakan bahan Zn atau Cdsebagai pelindung kerangka menggunakan teknikcair yaitu elektro plating (penyepuhan) Pada teknikini bahan Cd akan mengeluarkan polusi beracun

yang berbahaya bagi lingkungan(I,Z).

Pada elektro plating bahan Fe dan bahan Zn

direndam pada cairan elektrolit yang mengandunggaram-garam penyulut. Bahan Zn diberi potensialpositif (anoda), sedangkan bahan Fe diberi potoosialnegatif (katoda) maka pada elektrolit akan timbularus yang akan melarutkan bahan Zn pada bahan Fe.Dengan mengatur kekentalan elektrolit dan bentukdari anoda dan katoda dapat dikendalikan ketabalanpelapisan bahan Zn pada bahan Fe.

Prosiding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelltian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta. 27 Juni 2002

ISSN 0216-3128Yunanto, dkk. 181

Peningkatan ketahanan korosi bahan Znselain disebabkan karena terjadi dari senyawadengan unsur lain juga tergantung ketebalan lapisantipis Zn. Umur efektif dari lapisan tip is Zntergantung pada ketebalan lapisan tipis danlingkungan yang dihadapi. Untuk ketebalan lapisantipis Zn 30 ~m pada lingkungan terbuka di daerahpedesaan dapat bertahan sekitar 12 tahun,lingkungan laut dapat bertahan sekitar 8 tahun clandi lingkungan kawasan industri yang udaranyamengandung belerang oksida hanya dapat bertahan4 tahun(I).

panjang 250 mm, tebal I mm, sedangkan substrat Feberbentuk bulat dengan diameter 14 mm tebal Imm.

Metode pelapisan bahan Zn s~lainmenggunakan teknik cair elektro plating dapat.jugadilakukan dengan teknik sputtering. Untukmendeposisikan bahan Zn pacta substrat, bahantarget yang berbentuk silinder yang tertutup bagianujung-ujungnya ditembaki dengan ion argon daritempat substrat (anoda). Ion argon ini berasal darigas argon yang diionisasikan dengan tegangantinggi DC mempunyai energi yang cukup besar.Sebagian atom pacta target akan terpental keluarmelalui transfer momentum. Atom yang terhamburini akan bergerak ke segal a arah, diantaranya ditarikmenuju anoda. (substrat) dan merekat dengan kuatpacta substrat. Besamya hamburan atom targettergantung dari jarak elektroda, daya elektroda dantekanan gas. Untuk mendapatkan hasil lapisan tipisyang optimal dilakukan variasi daya elektroda,waktu deposisi dan tekanan gas(4).

Pendeposisian Lapisan TipisPeralatan sistem sputtering bentuk silinder

yang digunakan terdiri daTi : tabung reaktor plasmadaTi kaca pyrex dengan target Zn, pompa vakumrotari, kran gas pengatur aliran gas, vakum meter,sumber tegangan tinggi DC dan sumber gas argon.

Target Zn yang berbentuk silinder yang

tertutup pada ujung-ujungnya berfungsi sebagaikatoda ditempatkan pada pinggir tabling reaktorplasma. Sedangkan substrat Fe diletakkan padatempat substrat di tengah target Zn yang berfungsijuga sebagai anoda(2.S).

Tabung reaktor plasma divakumkan sampai4.10-2 Torr dengan pompa vakum rotari, kemudiangas argon dialirkan ke dalam tabung reaktor plasmamelalui kran yang digunakan untuk mengaturtekanan gas. Tekanan gas dinaikkan menjadi 6. I 0-2Torr. Sumbertegangan tinggi DC dihidupkan, makagas argon akan terionisasi, ion argon akanmenembaki target Zn. Atom Zn akan terlepas danterhambur ke segala arah diantaranya menujusubstrat.

Partikel Zn ditarik oleh anoda sehinggabergerak menuju substrat dengan energi yang cukupbesar, sehingga ion Zn akan menumbuk padasubstrat Fe. Sebagian atom Fe meninggalkantempatnya karena didesak atom Zn. Tempat yangditinggalkan oleh atom substrat kemudian ditempatioleh atom Zn secara substitusi (diameter Zn lebihbesar daTi Fe)<6). Untuk mendapatkan lapisan tipisZn yang paling baik, maka dilakukan variasi waktudeposisi 10 men it sampai 30 men it, variasi teganganelektroda daTi 500 Volt sampai dengan 1.500 Voltdan tekanan gas daTi 6.10-2 Torr sampai dengan I .1

Torr.

TA1fA KERJA

Dalam penelitian ini dilakukan beberapatahapan yang meliputi : penyiapan cuplikan,pendeposisian lapisan tip is, pengukuran laju k6rosiclan pengukuran kandungan Zn pada Fe.

Penyiapan Cuplikan dan Target

Bahan yang digunakan dalam penelitian iniadalah target Zn bentuk silinder diameter 180 mm,

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATA'N Yogyakarta, 27 Juni 2002

182

ISSN 0216 -3128 Yunanto, dkk.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pada Gambar 2 disajikan grafik hubunganantara tegangan anoda dengan laju korosi bahan Fedengan media air. Untuk bahan Fe yang belumdideposisi dengan lapisan tipis Zn laju korosinya0,051 mpy, tetapi laju korosi cenderung naik sampai0,168 mpy dengan naiknya tegangan anoda. Hal inidisebabkan karena dengan naiknya tegangan anoda,maka energi ion argon menumbuk target Znsemakin besar, sehingga akan dihasilkan percikanatom Zn semakin banyak dengan energi ham buratom Zn yang lebih besar.

Lapisan tip is yang terbentuk akan lebih cepatbertambah tebal dan penyisipan ion Zn secarasubstitusi pacta susunan atom Fe semakin dalam Halini bisa terjadi walaupun diameter atom Zn hanyalebih besar 12 % diameter atom Fe, atom Zn dapatmenemepati atom Fe secara substitusi(6,7). Apalagipacta saat ditumbuki ion Zn atom Fe bergetar karenapengaruh peningkatan suhu, sehingga jarak antaratom semakin lebar. Peningkatan laju korosidisebabkan karena substrat Fe lebih tahan terhadapkorosi dibandingkan dengan Zn, sehingga untuksubstrat yang lapisan tipis Zn nya semakin tebalakan semakin mudah terkorosi. Selain itu actakemungkinan lapisan tipis yang terbentuk tidakmerata, sehingga menimbulkan banyak anoda dankatoda yang akan menambah laju korosi. Tetapipacta tegangan anoda 1.250 Volt dan 1.500 Volt lajukorosi turun lagi. Hal ini kemungkinan disebabkankarena dengan bertambahnya tegangan anoda,energi ion argon akan semakin besar .Atom Zn yangterlepas dan terhambur energinya juga besar,sehingga tidak seluruhnya merekat pacta substrat Fetetapi terpantul lagi. Dengan demikian lapisan tipsZn yang terbentuk akan berkurang ketebalannya.

Pengujian Laju Korosi Dengan Potensiostat

Laju korosi diukur dengan potensiostatgalvanostat merk Tacussel tipe PGS 201 T Padaalat ini sebagai elektroda standard adalah larutankalomel jenuh daD sebagai elekttoda pembandingadalah batang karbon, sedangkan sebagai elekttodakerja adalah Fe yang belum dideposisi (sebagaireferensi) daD yang sudah dideposisi dengan lapisantipis In. Alat ini dilengkapai dengan tempatcuplikan diameter 15 mm daD bagian yang terkorosidiametemya 10 rom. Waktu untuk mengkorosi suatubahan, tegangan anoda daD katoda dapat diatursesuai dengan yang dikehendaki.

Metode pengukurannya adalah bahwategangan anoda diskan dari tegangan negatipmenuju Dol daD Dol menuju tegangan positip secaraotomatis dengan rentang potensial selama waktutertentu, dengan laju yang tidak berubah. Kemudiandibuat plot antara potensial dengan arus polarisasi.Untuk pengukuran potensio dinamik polarisasianodik, setiap cuplikan yang ada di dalam' selkorosi pada media air, pada alat ini diperlukanmedia air sebanyak 200 mi. Pada setiap pengukurandiamati pada E awal =-800 mV lawan Ekorosi danberakhir pada 1.600 m V lawan Ere! Kecepatanpolarisasi yang dipakai adalah 20 m V/dt

Pengamatan Kandungan Zn Pada SubstratFe Dengan XRF

Pengamatan prosentase kandungan unsurdalam substrat menggunakan XRF Prinsip dari alatini adalah meradiasi substrat dengan sumber radioisotop.IOOCd sehingga pada substrat timbul sinar X.dan dideteksi oleh detektor yang menghasilkansinyal. Sinyal ini dimasukkan pada analisatorsaluran ganda yang berfungsi untuk memisahkansinyal menurut tinggi energi sinar X yang dihasilkanoleh substrat. .

O.tiS

~E-.~~:3§

o.~

0.065

0.035

Gambar 2. Grafik hubungan antara tegangan dun laju koros;

Proslding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelitlan Dasar limu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002

Yunanto, dkk. ISSN 0216 -3128 /83

~..5.

.~~::J~

Gambar 3. Grafik hubungan antara waktu deposisi dengan laju korosi.

Pada Gambar 3 disajikan grafik hubunganantara waktu deposisi dengan laju korosi substrat Feyang dikorosi dengan media air. Bahan Fe sebelumdideposisi dengan lapisan tipis Zn laju korosinya0,051 mpy clan laju korosinya cenderung naikdengan bertambahnya waktu deposisi. Untuktegangan anoda, tekanan gas yang sarna clan waktudeposisi yang divariasi, maka semakin lama waktudeposisi maka akan semakin tebal lapisan tip is In.Dengan demikian substrat Fe lebih cenderungbersifat Zn yang mempunyai ketahanan korosi yanglebih rendah (laju korosinya lebih tinggi). U~tukwaktu deposisi 25 men it laju korosi turun tajam, halini disebabkan karena untuk waktu deposisi inilapisan tipis Zn bersenyawa dengan oksigen yangberasal dari kebocoran pada pipa saluran gas atausetelah substrat dikeluarkan dari tabung reaktorplasma. Dengan terbentuknya lapisan tipis ZnO.yang dapat memisahkan permukaan substrat secaralistrik dengan media air. Dengan demikian aliran

elektron dari substrat Fe air ke media air akan

berkurang.

Pada Gambar 4 disajikan grafik hubunganan tara tekanan gas dengan laju korosi. Variasitekanan gas akan mempengaruhi jalan bebas rata-rata ion dalam perbandingan jarak antara substratdan target. Semakin rendah tekanan gas maka akandiperoleh jalan be bas rata-rata yang semakin besar.Pada grafik terlihat bahwa semakin tinggi tekanangas laju korosi cenderung turun. Hal ini disebabkankarena pada tekanan rendah jalan bebas rata-ratanyabesar tetapi gas argon yang masuk hanya sedikit,sehingga jumlah ion argon yang menembaki targetZn hanya sedikit. Pada akhimya lapisan Zn yangterbentuk hanya tipis. Tetapi untuk tekanan 9.10-2Torr laju korosi naik lagi, yang disebabkan karenalapisan tipis Zn yang terbentuk semakin leba!(Iapisan tipis Zn lebih mudah terkorosi bila tidak

bersenyawa dengan oksigen).

--'~E-.~0~:J~

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002

184 ISSN 0216 -3128 Yunanto, dkk.

Lapisan tipis Zn yang dideposisikan padasubstrat Fe yang menghasilkan laju korosi palingkecil, diamati unsurnya dengan XRF. Padapengamatan ini didapat basil yaitu semakin tinggitegangan anoda , semakin tinggi tekanan gas dansemakin lama waktu deposisi prosentase unsur Znmenunjukkan peningkatan. Hal ini berarti semakintinggi besar prosentase unsur Zn yang diperolehmaka lapisan tipis Zn yang terbentuk semakin tebal.

3.

4,

5

6.

KESIMPULAN7.

TATA.SURDIA, SHINAKUSAITO, Pengeta-huan Bahan Teknik, PT Pradnya Paramita,Jakarta, 1992.

KIYOTAKA W, SHIGER H, HandbookSputter Deposition Tecnology, NoyesPublication, New Yersey, 1991.

J MORT, F JONSON, Plasma Deposited ThinFilm, CRC Press Inc. Florida, 1985.

KONUMA, Film Deposition by PlasmaTechniques, Springer Verlag, 1992.

LAWRENCE, V AN VLACK, Ilmu danTeknologi Bahan, Penerbit Erlangga, Jakarta,lQQ1

Dari hasil percobaan dan pengamatan yangtelah dilakukan dapat diambil beberapa kesimpulanbahwa dengan menggunakan target Zn bentuksilinder , maka dapat dilakukan pelapisan Zn padasubstrat Fe dengan bentuk tidak beraturan. Untuktujuan peningkatan ketahanan korosi bahan Fe yangsering digunakan pada kerangka mobil. Dalam halini parameter yang penting pada proses pelapisantersebut adalah waktu deposisi, tegangan anoda dantekanan gas. Dengan menggunakan sistemsputtering bentuk silinder diperoleh penurunan lajukorosi pada kondisi parameter variasi waktudeposisi 25 menit, tekanan 10-1 Torr, tegangananoda 1.250 Volt dan kandungan Zn 0,63 % dari0,051 mpy menjadi 0,031 mpy. Pengaruh tegangananoda daD tekanan gas juga memberikan kontribusi

pada penurunan laju korosi, terjadi penurunan lajukorosi dari 0,051 mpy menjadi 0,039 mpy dan dari

0,051 mpy menjadi 0,043 mpy.

TANYAJAWAB

Agus Purwadi

-Mengapa diambil sam pel bentuk silinder apakahacta hubungannya dengan tujuan/prospek

berikutnya?

-Mengapa yang untuk melapisi kok Zn apakahtidak lebih baik Cr (biar awet)?

UCAP AN TERIMA KASIH

Yunanto

-Kebanyakan suatu konstruksi berbentuk as danpipa.

-Karena Zn /ebih mudah terkorosi dari Fesehingga yang diserang korosi Zn du/u baru Fe.Cr memang tahan korosi tetapi tidak dapat untuk/apisan timba/.

Pada kesempatan ini Penulis menyampaikanucapan terima kasih kepada Sdr. Giri Slamet danSdr. Sumaryadi yang telah membantu mem,buatlapisan tipis Zn. Demikian juga pada Sdr. Mujionoyang telah mengamati analisa unsur dengan XRF.serta $dri. Ratmi Herlani Amd yang telah mengukurlaju korosi dengan Potensiostat. Djoko Sujono

-Mohon dijelaskan kenapa penelitian yangdilakukan dapat merupakan lapisan pelindungkorosi pada Fe.DAFT AR rUST AKA

Yunanto

-Karena bahan Fe ban yak digunakan un/ukkerangka mobil, menara /ransmisi dan pipasaluran minyak a/au konstruksi bangunan

lainnya.

2.

dHAMBERLAIN J, TRETHEWEY KR.,I4orosi, PT Gramedia Pustaka Utama, Jakarta,1991.

Nt. SUNTHANKAR, SO JOSHI, Zero WasteDry Plating, Society of Vacuum Coaters, 1997.

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002