Proseding Pertemuan don Presentasi l/miahP3TM-BATAN, Yogyakarta 25 -26 Juti 2000 103Buku J

EFEK IMPLANT ASI ION KROMIUM TERHADAP LAJUOKSIDASI P ADA BAHAN BESI DAN BAJA

Lely Susita R.M., B.A. Tjipto Sujitno, Agus Santoso, Elin NurainiPPNY-BATAN. J/. Babarsari Kotak Pas 1008. Yogyakarta 55010

ABSTRAKEFEK IMPLANTASI ION KROMIUM TERHADAP LAJU OKSIDASI PADA BAHAN BESI DANBAJA. Pene/itian ini membahas tentang pengaruh imp/antasi ion kromium terhadap ketahanan oksidasibesi (Fe 95.5%) don baja (tipe A/S/ 304). Pengukuran ketahanan oksidasi di/akukan do/am media oksigenkering pada suhu tinggi dengan waktu pengamatan yang bervariasi. Untuk mengetahui ketah~nanoksidasinya di/akukan analisis pengurangan / penambahan berat. Hasil yang diperoleh menunjukkanbahwa pada Fe 95.5% yang diimp/antasi dengan ion kromium pada energi 100 keV dan dosis ion 5 x 10/7ionlcm2 dapat meninkatkan ketahanan oksidasinya hingga 28.68%. Sedangkan pada baja tipe A1S1304yang te/ah mengandung kromium /9% justru menurunkan ketahanan oksidasinya. Hal tersebut mungkin

disebabkan karena pada kandungan kromium yang lebih tinggi don temperatur yang tinggi memungkinkannuk/easi Cr203 dan memicu pembentukan oksida spinel yang kurang protektif

ABSTRACTEFFECT OF CHROMIUM ION IMPLANTATION ON THE OXIDATION RATE OF IRON ANDSTEEL. This research discussed about the effect of chromium ion implantation on the oxidation rate of iron(Fe 95.5%) and steel (AISI304). The measurement of oxidation resistance of the samples was carried out indry oxygen medium at high temperature conditions and the time of !'bservation was varied. The oxidationresistance can be analyzed by the changing of weight before and after the process. The results showed thatfor iron materials (Fe 95.5%) implanted chromium ion at energy 100 keV and ion dose 5 x 1017 ionlcm2increase the oxidation resistance in order of 28.68%. But for AISI304 steel implanted chromium ion at thesame conditions, the oxidation resistance decreased. This fenomena is caused by the fact that the content ofchromium maybe already exceed the solubility of base material and it will create the posibility of the

formation of oxyd spinel which less protective.

tersalut dengan selaput oksida tipis. l.aju difusimenembus selaput ini sangat rendah clan sesudahpertumbuhan yang cepat dalam periode awalberlalu, laju penebalan akhimya menjadi noloDalam hal ini oksidasi berlangsung secara logaritmadengan waktu, x -In t (Fe di bawah 200 °C).

R.ktilWerPtnambahan bent

P.,.bolik

\\'.ktu

PENDAHULUAN

K ebanyakan bahan untuk rekayasa pada

temperatur lingkungan sehari-hari ada yang

sudah teroksidasi sedemikian rupa sehingga lapisan

oksidasi melindungi logam di bawahnya. Adapula

di udara kering bereaksi begitu lambat sehingga

oksidasi tidak mendatangkan masalah. Pacta

temperatur tinggi, bagaimanapun juga laju oksidasi

logam-logam meningkat. Jadi jika sebuah kom-

ponen rekayasa mengalami kontak langsung dengan

lingkungan bertemperatur tinggi untuk waktu yang

lama, komponen tersebut mungkin menjadi tidak

berguna.

Proses dengan laju paling lambat pada setiap

temperatur merupakan laju yang mengendalikankorosi. Pad a umumnya laju korosi akan menurun

begitu selaput oksida menebal.

Pertumbuhan selaput oksida bergantung padatemperatur seperti ditunjukkan pacta Gambar 1.

Pad a temperatur rendah, permukaan logam akan

!(,hlbn.." bent

Gambar 1. Pertumbuhan selaput oksida.

Proseding Perlemuan dan Presenlasi /ImiahP3TM-BATAN. Yogyakarla 25 -26 Jul; 2000Buku I104

sehingga diharapkan dapat dihasilkan bahan besidan baja yang lebih tahan terhadap oksidasi.

TATAKERJA

Bahan cuplikan yang digunakan dalampenelitian ini adalah besi (Fe 95,5%) dan baja (tipeAISI 304). Pada tahap awal pembuatan cuplikandilakukan pemotongan bahan berbentuk lingkarandengan diameter 15 mm dan ketebalan I mmmenggunakan gergaji intan kecepatan rendah.

Sebelum diimplantasi terlebih dahulu permukaannyadihaluskan dengan menggunakan kertas amplas dariukuran 360 mesh hingga 1600 mesh. Kemudian

dilanjutkan dengan pemolesan menggunakan pastaintan ukuran I ~m sehingga diperoleh permukaanyang !talus dan mcngkilap. Untuk mcnghilangkanserbuk kertas amplas serta kotoran yang masihmelekat, cuplikan dicuci dengan ail: maupunalkohol. kemudian dikeringkan. Sesudah selesaipencucian maka cuplikan siap diimplantasi,

Proses implantasi ion kromium ke dalam

cuplikan menggunakan akselerator implantasi ionenergi rendah 150 ke V. Selama proses, arus berkasion kfomium yang dihasilkan oleh sistem sumberion dibuat tetap sebesar 20 ~A dan tekanan vakumdalam orde 10.5 torr. Dalam pelaksanaan implantasiion diterapkan energi ion kromium sebesar 100 keYdan dosis ion 5 x 1017 ion/cm2,

pengukuran ketahanan oksidasi dilakukandalam media oksigen kering pada suhu tinggidengan waktu pengamatan yang bervariasi, Untukmengetahui ketahanan oksidasinya dilakukananalisis pengurangan/penambahan berat. Berdasar-kan eksperimen di at as dibuat grafik hubunganan tara waktu pengamatan terhadap pengurangan/penambahan berat. Dari grafik tersebut diharapkanakan diperoleh kondisi ketahanan oksidasi Fe 95,5%dan baja tipe AISI 304.

Apabila selaput oksida tetap lekat ke per-mukaan dan menjadi penghalang terhadap difusiion-ion logam atau ion-ion oksida melalui selaputtersebut, laju pertumbuhan oksida berlangsungsecara parabolik dengan waktu, x2-t.

Pad a pertumbuhan garis lurus atau rekta-linier, laju oksidasi konstan terhadap waktu, x-toHal ini terjadi bilamana oksida tidak mampumerintangi masuknya oksigen ke permukaan logam,karena oksida yang terbentuk dari volume logamterlalu kecil untuk menyalut seluruh permukaannya.Tegangan yang besar, baik kompresi maupun tarikmungkin timbul dalam selaput oksida dan menye-babkan efek pengelupasan ketika selaput oksidapelindung retak atau terlepas. Pengelupasan ber-ulang pacta kerak dapat mencegah terjadinyapcrtumbuhan parabolik bcrlcbihan dan oksidasiberlangsung mendekati laju pertumbuhan linier.Tegangan pacta selaput oksida sebanding denganratio Pilling- Bedworth, yaitu ratio an tara volumeoksida dan volume logam yang membentuk oksida.Ratio volume oksida yang terbentuk terhadapvolume logam yang termakan karena memproduksioksida merupakan faktor penting dalam menentukanlaju korosi untuk rentang waktu yang lama. Apabilavolume oksida lebih kecil daripada volume logam,oksida akan teregang pacta permukaan logamsehingga selaput oksida berpori dan tidak berfungsisebagai pelindung. Jika volume oksida lebih besardaripada volume logam asalnya, maka oksida akan

sinambung dan berfungsi sebagai pelindung.

Oksidasi logam yang membentuk lapisanoksida mantap dan tidak mudah menguap akanberlangsung disertai penambahan berat yangbergantung pacta waktu. Bila oksida yang terbentukmudah mengua~ maka hilangnya berat juga sejalan

dengan waktu.(1

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pada umumnya ketahanan oksidasi akanmeningkat ketika lapisan oksida menebal. Oksidasilogam yang membentuk lapisan oksida mantap danmudah menguap menyebabkan penambahan berat.

Hasil oksidasi dalam media oksigen keringpada suhu tinggi dengan waktu pengamatan yangbervariasi disajikan dalam Tabel I, 2, 3 dan 4.Sedangkan grafik hubungan antara waktu peng-amatan terhadap pengurangan/penarnbahan beratdari keempat tabel tersebut ditampilkan padaGambar 2, 3, 4 dan 5.

Menurut hukum Wagner-Hauffe, penambah-an unsur paduan merupakan salah satu tara untukmengubah laju oksidasi sehingga ketahanan ter-hadap oksidasi meningkat. Unsur paduan dapatditambahkan karena merupakan pembentuk oksidayang kuat daD cenderung membentuk oksidanyasendiri pacta permukaan logam. Penambahankromium memberikan hambatan yang baik terhadapoksidasi pacta besi daD baja. lni disebabkan karenakromium memperkaya lapisan paling dalam pactaselaput besi oks ida, bahkan membentuk lapisankromium oksida tepat di bawah besi oksida.Lapisan-lapisan ini lebih tahan terhadap difusi ionatau elektron daripada lapisan besi oksida saja,

sehingga laju oksidasi berkurang.{2)

Untuk menambahkan unsur kromium kedalam besi daD baja digunakan teknik implantasi ion

Proseding Perlemuan don Presenlasi /lmiahP3TM-BATAN. Yogyakarla 25 -26 Juli 2000 Buku I 105

Tabell. Hasi/ oksidasi untuk berbagai "arias; waktu pada suhu 900 °C Fe 95,5% sebe/um imp/antasi.

No.

Waktu (jam) Berat A wal (gram) Berat Akhir (gram) Penambahan Berat (gram)

8

16

24

32

1,3706

1,4443

1,4633

1,5396

0,0120

0,0857

0,1047

0,1810

2

3

,3586

4

0.2-'-C)-...,to...~

.cctoJ:(U

.0E<UCQ)

Q.

0.15

0.1

0.05

04020 30100

Gambar 2. Grajik hubungan waktu pengamatan terhadap pengurangan/penambahan berat pada Fe95,5% sebe/um imp/antasi.

Tabcl 2. Hasil aksidasi u,?/uk berbagai variasi wak/u pada suhu 900 °c Fe 95,5% sesudah implan/asi.

Bcrat Akhir (gram) Pcnambahan Bcrat(gram)Berat A\val (gram)No Waktu (jam)

0,0225

0,1473

0,2010

0,2248

1,3139

1,4587

1,5124

1,5362

8

16

24

32

,31142

3

4

Lely Susita R.M, dkk.ISSN 0216-3128

proseding Perlemuan dan Presenlasi //miahP3TM-BATAN. Yogyakarla 25 -26 Ju/i 2000Buku I106

-~C)-cu~Q)

.cc~

.I=.~

.0Ef'3C~Q.

0

Waktu (Jam)

Gambar 3. Grafik hubungan waktu pengamatan terhadap penguranganlpenambahan berat pada Fe 95,5% sesudah imp/antasi.

Dari hasil oksidasi baja tipe AISI 304 yangdisajikan pacta Tabel 3 dan 4 serta Gambar 4 dan 5terlihat bahwa pembentukan oksida pacta baja tipeAISI 304 mudah menguap sehingga menyebabkankehilangan berat yang linier terhadap waktu. Halterse but disebabkan karena pacta kandungankromium yang lebih tinggi dan temperatur yangtinggi memungkinkan nukleasi Cr20) dan memicupembentukan oksida dengan struktur kristal tipespinel yang kurang protektif:J,2) Pengurangan beratbaja tipe AISI 304 sebelum diimplantasi untukwaktu pengamatan 8, 16, 24 dan 32 jam pacta suhu900 °c sebesar 0,0172, 0,0168, 0,0164 dan0,0162 gram. Sedangkan sesudah diimplantasipengurangan berat untuk waktu pengamatan 8, 16,24 dan 32jam sebesar 0,0311, 0,0217, 0,0209 dan

0,0194 gram.

Dari data hasil,oksidasi Fe 95,5% sepertiyang disajikan pada Tabel I dan 2 atau Gambar 2dan 3, terlihat bahwa penambahan berat pada Fe95,5% berlangsung secara linier terhadap waktu.Sebelum diimplantasi, penambahan berat pad a suhu900 °c untuk waktu pengamatan 8 jam sebesar0,0120 gram. Nilai ini berangsur-angsur naik men-jadi 0,0857 gram pada waktu pengamatan 16 jamdan 0,1047 gram pada waktu 24 jam serta 0,1810gram pacta waktu 32 jam.

Demikian halnya sesudah diimplantasi, pe-nambahan berat pada Fe 95,5% semakin besar jikawaktu pengamatan semakin ditambah. Untuk waktupengamatan 8, 16,24 dan 32 jam penambahanberat pada suhu 900 °c naik menjadi 0,0225,0,1473, 0,2010 dan 0,2248 gram. Ini berarti bahwaefek implantasi ion kromium dapat meningkatkanketahanan oksidasi pada Fe 95,5%.

Tabel 3. Hasi/ oksidasi un/uk berbagai variasi wak/u pada suhu 900 °C baja /ipe AISI 304

sebe/um imp/an/asi.

Proseding PerlemUan don Presenlasi IlmiahP3TM-BATAN, Yogyakarta 25 -26 Ju/i 2000 Buku I 107

0.0174-"".9 0.0172!~ 0.017.ac 0.0168(0

g' 0.0166tU...= 0.016401c4J 0.0162n.

0.01620 300 10 40

Waktu Oam)

Gambar 4. Grafik hubungan waktu pengamatan terhadap penguranganlpenambahan berat pada baja tipe A/S/ 304 sebe/um imp/antasi.

Tabel 4. Hasil oksidasi untuk berbagai variasi waktu pada suhu 900 °C baja tipe AfSf 304sesudah imp/antasi.

No. Berat Awal (gram) Berat Akhir (gram)Waktu (jam) Penambahan Berat (grl\m)

1,3635

1,3729

1,3736

1,3752

0,0311

0,0217

0,0210

0,0194

8

16

24

32

2

3

4

,3946

04020 300 10

Waktu (jam)

Gambar 5. Graftk hubungan wak/u pengama/an /erhadap pengurangan/penambahan bera/ pada bola /ipe AlSl 304 sesudah implan/asi.

Lely Susita R.M, dkk.[SSN 02[6 -3128

C)-0.03...~ 0.025.Qc 0.02~

g' 0.015~~ 0.01Ct~ 0.005n.

ProsedingPer/emuan dan Presen/asi I/miahP3TM-BATAN. Yogyakar/a 25 -26 Jut; 2000108 Buku I

KESIMPULANTANYAJAWAB

Fathurrachman

-Mohon dijelaskan peran teknologi implantasi Crini dibidang manufaktur daD manfaatnya.Apakah hal ini dapat diterapkan dalam produksi

baja?

Lely Susita RM

-Peron teknologi implantasi kromillm yangdibahas dalam penelitian ini yailu dapatdihasilkan bahan besi yang lebih tahan lerhadapok$idasi. sehingga dapat dimanjaatkan sebagaibahan tahan oksidasi diberbagai bidang.termasuk instalasi perlakuan panas. Man/aatlainnya dari paduan besilkromillm yangmengandung 12% kromium merupakan bahanyang baik untuk slldu-sudu pada turbin.sedangkan yang mengandung 30% kromiumdigunakan dalam industri kimia don tanur.Dipihak lain. penambahan kromium jugamemberikan hambatan yang baik terhadap,vertzlf'lbullan oksidasi pada baja dan jugabeberapa jenis paduan lain. Karena kromiummemperkaya lapisan paling dalam pada se/aputbesi oksida, bahkan me/l1bentllk lapisah kromiumoksida (Cr203) tepal di bawah besi oksida(Fe203). Akan tetapi kemungkinan /lukleasiCr203 akan terjadi pada kadar kronlium yangtinggi dan temperatur yang tinggi. Perlakuanpanas yang mengllrangi kadar kromizlm padapermukaan akan memicu pembentllkan oksidaspinel. Oksida ini kllrang protektif dibandingjika oksida yang terbentuk dari kromizlm.

Oari analisa data hasil oksidasi dalam mediaoksigen kering pacta suhu tinggi dengan waktupengamatan yang bervariasi dapat disimpulkanbahwa

I. Pad a umumnya ketahanan oksidasi akan me-ningkat ketika lapisan oksida menebal. Oksidasilogam yang membentuk lapisan oksida mantapdan tidak mudah menguap menyebabkanpenambahan berat. Penambahan berat pad a Fe95,5% berlangsung secara linier terhadap wak-tu. Sebelum dan sesudah dilakukan implantasiion kromium, penambahan berat Fe 95,5%untuk waktu pengamatan 32 jam pada suhu 900°c masing-masing adalah 0,1810 gram (13,32%) dan 0,2248gram (17,14%). Ini berartj efekimplantasi ion kromium dapat meningkatkanketahanan oksidasi pacta Fe 95,5%.

2. Pembentukan oksida pacta baja tipe AISI 304mudah menguap sehingga menyebabkan ke-hilangan berat yang linier terhadap waktu. Haltersebut disebabkan karena pada kandungankromium yang lebih tinggi dan temperatur yangtinggi memungkinkan nukleasi Cr20) danmemicu pembentukan oksida dengan strukturkristal tipe spinel yang kurang protektif.Pengurangan berat baja tipe AISI 304 sebelumdan sesudah diimplantasi untuk waktu peng-amatan 32 jam pacta suhu 900 °c adalah 0,0162gram (1,17%) dan 0,0194 gram (1,39%).

UCAP AN TERIMA KASIH

Pacta kesernpatan ini penulis rnengucapkanterirna kasih kepada Bapak AI. Sunarto, BapakMujiyono dan Bapak Surnarmo yang telahrnernbantu dalam pelaksanaan eksperirnen. Mudah-rnudahan budi baik tersebut rnendapat balasan dariAllah s. W .t. Arnien.

Kamsul Abraha

-Dalam tiap penanganan dengan implantasi,menarik kalau ketahanan terhadap oksidasidikaitkan dengan info mengenai "depth profile"misalnya, karena proses oksidasi adalah terkaitlangsung dengan "charge distribution".

DAFTARPUSTAKA

Lely Susita RM.

-Sarannya dapat dipertimbangkan. Pada pene-/itian sebe/umnya pernah di/akukan ana/isisdistribusi konsentrasi unsur sebagai lungsiked a/am an penetrasi imp/antasi ion pada bahanbaja. Untuk mengana/isis distribusi konsentrasiion yang terimp/antasi digunakan mikroskope/ektron yang dikope/ dengan alaI ana/isis unsur(be/um tersedia pada insta/asi P3TM).

1. TRETHEWEY, K.R., CHAMBERLAIN, J.,"Corrosion for Students of Science andEngineering", Longman Group, U.K. Limited(1988).

2. SMALLMAN, R.E., "Modern Physical Metal-lurgy", Butterworth & Co Ltd. (1985).

3. GALERIE, A., "Modern Physical Metallurgy",Butterworth & Co Ltd. (1985).

4. FONTANA, M.G., GREENE, N.D., "Corro-sion Engineering", Mc. Graw Hill, New York

(1978).

ISSN 0216-3128Lely Susita R.M, dkk.