RANCANGAN PROTOTIPE PERALATANNITRIDASI UNTUK KOMPONEN INDUSTRI

PLASMA-

B. Bandriyana, Tutun Nugraha, SilakhuddinPusat Pengembangan Sistem Reaktor Maju- BATAN

ABSTRAKRANCANGAN PROTOTIPE PERALA TAN PLASMA-NITRIDASI UNTUK KOMPONEN INDUSTRI.Peralatan plasma-nitridasi telah dirancang. dan didesain sebagai prototipe untuk proses pengerasanpermukaan bahan komponen industri. Desain peralatan mengacu pada sistem nitridasi dengan plasma dilaboratorium akselerator P3TM-BATAN Pengembangan peralatan dilakukan dengan desain tabung vakumdari baja SS-304, diameter 46 cm, tinggi 55 cm dilengkapi dengan ruang nitridasi berupa sistemp.zngungkung plasma menggunakan tabung kaca quartz, diameter 38 cm, tinggi 40 cm, dan pasangan anode-!catode tegangan tinggi untuk membangkitkan plasma serta memJOkuskan plasma kearah permukaan bendauji. Proses nitridasi dirancang untuk dilakukan pada rentang temperatur 350 ~-590 ~ pada tekanan vakum10-3 mb. Sistem pemercepat tegangan tinggi dilakukan pada 1-50 kV (DC) denganJrekuensi pulsa 100-1000Hz (square-wave) dan kemampuan arus 1-50 mA. Sistem keselamatan don peningkatan keandalan sistemkontrol dirancang untuk memperoleh hasil operasi sesuai dengan persyaratan desain secara teknis maupunekonomis. Diharapkan alaI ini dapat menjadi prototipe yang dapat dikembangkan lebih lanjut dalam desainalaI plasma-nitridasi untuk skala industri.

ABSTRACTPROTOTYPE DESIGN OF PLASMA-NITRIDING APPARATUS FOR COMPONENTS OF INDUSTRIES.An apparatus to carry-out plasma-nitriding surface treatment has been designed. The construction wasplanned as a prototype for a larger system at industrial scale. The design was based on a similar apparatuscurrently operating at the Accelerator Laboratory at the P3TM-BATAN, in Yogyakarta. The system consistsof a main vacuum chamber from steel SS-304, 45cm OD, 55 cm height and is equiped with a nitridingchamber in the inner part that also functions as a plasma container (Quartz, cylindrical, 38cm OD, 40cmheight). The system utilized an anode-cathode pair to generate nitrogen plasma, as well as to accelerateand direct the positively-charged-plasma toward the surface of the material to be treated. The pressureinside the chamber is designed to be in the region of la-J mb with a temperatur between 350-590CC.Pulsated DC high voltage can be set at I-50 kV at afrequency between 100-1000 Hz and current 1- 50 mA.The safety and reliability features have been designed to obtain nitriding results that are in acordance withthe required technical specification as well as economical constrain. It is hoped that this device can becomea prototype for future development of an industrial scale plasma-nitriding apparatus.

PENDAHULUAN menggunakan proses termal maupun termo-kimia,misalnya proses gas nitridasi, gas karburasi. Untukmeningkatkan efisiensi clan mutu proses nitridasi,dewasa ini banyak dilakukan proses pengerasandengan teknik plasma clan implantasi ion sebagai-mana yang telah dikembangkan dalam laboratoriumakselarator di P3TM-BATAN[3.4]. Disamping ituteknik nitridasi yang mempergunakan laser-nitridingjuga tengah dikembangkan di beberapa labora-toriwn[5.6]. Dengan semakin meningkatnya ke-butuhan pengerasan permukaan bahan untuk

komponen pembangkit energi, otomotif, aerospace,mesin-mesin serta peralatan industri lainnya sepertiplastik/polimer, perkayuan, alat potong[2], makapengembangan clan peningkatan teknologi ini berikutperalatanya sangat diperlukan. Peningkatan clanpengembangan teknologi clan peralatan nitridasi

Pengerasan permukaan bahan merupakanproses yang sangat dibutuhkan untuk berbagaikomponen industri. Proses pengerasan denganplasma nitridasi merupakan salah satu teknik yangdapat dipakai untuk tujuan ini. Dengan teknik ini,material menjadi lebih tahan terhadap keausansedangkan kekuatan bahan secara keseluruhan tetaptinggi sehingga umur pakai komponen akanmeningkat. Disamping itu, melalui pemilihanmaterial yang tepat untuk aplikasi tertentu, sifatkekerasan maupun ketahanan terhadap korosi daTi

paduan logam yang digunakan dapat ditingkatkanpula[I,2].

Proses pengerasa~ perrnukaan secarakonvensional sudah cukup lama dikenal baik dengan

RANCANGAN PROTOTIPE PERALA TANNITRIDASIUNTUK KOMPONEN INDUSTRI

B. Bandriyana, dkk.

PLASMA. 245

Komponen utama daTi perala tan adalah:tabung nitridasi, sistem pemanas, sistem tegangantinggi, sistem vakwn, tangki beserta sistem alirangas, dan sistem pemegang sampel. Pertimbanganuntuk desain dari masing-masing komponendiuraikan sebagai berikut.

skala laboratorium perlu diarahkan untuk pengerasankomponen industri. Rancangan peralatan plasrna-nitridasi ini diharapkan dapat menjadi prototipeuntuk proses desain perlakuan permukaan dalamskala industri.

Dalam makalah ini diuraikan rancanganprototipe peralatan pengerasan dengan sistemplasma nitridasi sebagai langkah awal untukmerumuskan lebih jauh dalam desain detail sebelumdilakukan perekayasaan. Lingkup dan pembahasanmeliputi konsep desain beserta deskripsi komponenyang digunakan dalam peralatan. Desain clandeskripsi komponen utama ditentukan berdasarstudi literatur clan pertimbangan desain tentangproses clan peralatan nitridasi yang berkembang diindustri clan mengacu data desain peralatan plasmanitridasi di P3TM-BA T AN Yogyakarta.

Ruang Plasma Nitridasi

Ruang nitridasi merupakan bagian utama

yang berfungsi sebagai wadah untuk proses nitridasi

dimana plasma nitrogen berdifusi ke dalam

permukaan bahan. Aliran gas bisa berupa gas

tunggal N2, bisa pula berupa campuran gas rnisalkan

N2/H2. Informasi daTi penggunaan komersial plasmanitridasi ini menunjukan adanya keuntungan dalam

penggunaan campuran Nz/H2' rnisalnya yang dipakaioleh perusahaan Solar Atmosphere, USA [7], dimana

ion hidrogen dalam prosesnya diakselerasikanmenuju ke permukaan bahan clan berfungsi sebagai

pembersih clan pereduksi untuk menghilangkan

lapisan oksida clan kontarninasi jumlah kecil pada

permukaan bahan. Penelitian lain oleh Fewell et.al.

di Australia, menunjukkan keuntungan melakukan

pre-nitriding exposure pada plasma dari campuran

50% N2 -50% H2 sebelum proses nitridasi dimulai[8J,

PERTIMBANGAN DESAIN

Pertimbangan desain didasarkan pada tinjau-an pustaka dan survei literatur yang menguraikankonsep dasar peralatan nitridasi-plasrna danparameter proses nitridasi.

Konsep Dasar Perala tan Plasma-Nitridasi

Konsep desain peralatan plasrna-nitridasiuntuk pengerasan bahan komponen industri yangdiacu dalam rancangan ditunjukkan secara skernapada Gambar 1 [3],

Sistem Vakum

Tabung nitridasi, denga.l menggunakanpompa vakum, dijaga pada tekanan 10.3 fib. Vakumyang baik akan menentukan basil yang lebib bersihmengingat kontarninasi oleb sisa oksigen, rnisalnya,bisa memberikan campuran lapisan nitrida danoksida pada lapisan pennukaan yang dikeraskan[S.9J...-

/

--J_~=~

l

1-7I

~s

Sistem Pemanas dan Pengatur Temperatllr RuangNitridasi

Temperatur di ruang nitridasi dijaga denganalat kontrol temperatur pada temperatur 350-590 °Cyang diberikan oleh sistem pemanas. Temperaturoperasi yang optimal perlu ditentukan untuk setiapaplikasi yang berbeda. Pada temp~ratur lebih ringgi,lapis an keras yang dihasilkan bisa lebih dalamnarnun dengan resiko terjadi perubahan dimensi clanpenurunan kekerasan maksimum yang bisa dicapai.Nitrion GmbH-German misalnya, dalam surveiliteraturnya, menyarankan penggunaan dua tempe-ratur yang berbeda dimana temperatur yang keduasekitar 20 °C lebih tinggi daTi temperatur padanitridasi tahap pertama sehingga didapatkankedalaman clan kekerasan yang optimal yangdiperoleh dalam waktu yang sesingkat mungkiJIJ.Sebagai contoh lain, Fewell et.al. misalnya,menemukan bahwa untuk pengerasan AISJ 316,temperatur optimal yang dipergunakan adalah pada450°C untuk plasma daTi 100% N18]. Meskipun

--246

I~.

34

Gambar 1. Skema peralatan plasma-nitridasi.

Keterangan

1 : tabung dan sistem aliran gas (nitrogen)

2 : sistem pemanas dan benda uji

3 : sistem pengatur dan kontrol temperatur

4 : pompa daD sistem vakum

5 : sistem tegangan tinggi

6 : tabung nitridasi

7 : anode--~ -Prosiding Pertemuan dan Presentasi llmiah TeknologiAkselerator dan AplikasinyaVol. 5, No. J, OkJober 2003.. 245 -251

Volume 5, /Jomor I, Oktober 2003 /SSN 14//-/349

Parameter Proses Nitridasidernikian pada umumnya temperatur yangdipergunakan untuk plasma-nitridasi berkisar pada350 °C -590 °C bergantung paduan logam yang di-pakai clan applikasi yang ditujU[IOJ. Disamping itu,Fewell et.al. juga menemukan babwa basil nitridasiyang didapat dengan pemanasan mang nitridasi lebihbaik dari pada plasma nitridasi dengan banya bendauji saja yang dipanaskan. Dalam hipotesanya, bal inidisebutkan berkaitan dengan kondisi plasma yanglebih reaktif clan cendemng stabil sehingga lebihkondusifuntuk proses nitridasi.

Dalam proses nitridasi, terdapat dua buahlapisan yang terjadi pada pern1ukaan yaitu zona-senyawa (comsf°und-zone) clan zona-diffusi (diffu-sion-zone)[14.1 .Fase-nitrida (rnisalnya besi-nitrida)membentuk wilayah compound-zone yang meru-pakan lapisan yang lebih keras dibandingkan dengandiffusion-zone dibawahnya. Pembentukan senyawakeras pada zona ini ditentukan oleh jurnlah nitrogenyang dideposisikan clan dapat dilihat dari diagramrase. Dari diagram rasa clan data percobaan untukmendapatkan rase keras Fe4N jurnlah nitrogen yangbarns dideposisikan masing-masing 20% atom atau6% berat; clan untuk Fe2N diperlukan 33,5% atomatau 11,2% berar3J. Lapisan keras compound zoneini didukung oleh lapisan kedua dibawahnya yaitudiffusion-zone yang sedikit lebih lunak clan terdiridari nitrogen terlarutkan. Hal ini terjadi karenaukuran atom nitrogen yang relatif kecil ( jari-jariatom 0,71 x 10.10 m), sehingga nitrogen-elementerbisa dengan cukup mudah menemukan ruang padainterstitial-space pada kisi logam/ paduan.

Pengukuran dengan menggunakan SEMmenunjukkan bahwa tingkat kekerasan padadiffusion-zone ini berbanding lurns dengan tingkatkonsentrasi nitrogen yang terlarutkan[ISJ. Adapunketebalan maksimum kedua lapisan diatas yangdapat diperoleh melalui proses plasma nitridasiadalah sekitar 1 mm bergantung kepada jenislogam/paduan yang dipakai[3J. Dalam hat initemeperatur clan waktu proses nitridasi sangatmenentukan. Umumnya waktu proses antarabeberapa jam hingga puluhan jam bergantungtingkat ketebalan yang diperlukan.

Berdasarkan proses clan operasi perala tanplasma-nitridasi diperoleh parameter yang meru-pakan faktor penting dalam merancang peralatan.Beberapa faktor-faktor clan parameter tersebutadalah: dimensi tabung nitridasi, laju aliran gas,tingkat kevakuman, sistem pemercepat tegangantinggi, jarak antar elektrode, ternperatur bendakerja/ruang nitridasi clan waktu/lamanya proses[3. 4J.Relasi antar besaran yang merupakan dasarperhitungan desain dapat diambil dari rumusan dasarberikur3.4J.

Sistem Tegangan Tinggi

Plasma nitrogen yang diperlukan untukproses nitridasi dapat dibangkitkan dengan tegangantinggi DC (0,5-100 kV) maupun dengan mernper-gunakan radio frekuensi AC. Untuk peralatanukuran besar dimana discharge-gap antara anodeclan katode cukup jauh, tegangan diatas 1 kVdiperlukan untuk membangkitkan plasma yangdiperlukan[11J. Salah satu contoh peralatan nitridasikomersial skala industri dengan tegangan tinggi yangcukup komplek adalah peralatan nitridasi PlasmaSource Ion Implantation (PSII) di Los AlamosNational Laboratory (USA)[12J, yang sudahb~roperasi sejak 1997. Alat ini berbentuk silinderhorisontal dengan diameter 1.5 m clan panjang 4.6m. Pada prosesnya, plasma nitrogen (bermuatanpositif) dibangkitkan dengan radio-frekuensi (RF).Selanjutnya benda uji (kornponen industri) yangmendapatkan perlakuan permukaan mernperolehpulsa pendek tegangan tinggi DC. Benda uji inibertindak sebagai katode sehingga plasma nitrogenyang bermuatan positif diakselerasikan clanterimplantasikan kedalam permukaan benda uji.Tegangan DC yang dipakai pada alat PSI! ini dapatmencapai 100 kV dengan kemarnpuan ares 55 A(atau lebih tinggi pada voltage lebih rendah).

Sebuah grup peneliti lain di Jerman,menggundkan pulsa tegangan tinggi DC, namuntanpa menggunakan RF[13J. Mereka menggunakantegangan tinggi DC 30 kV -50 kV yang dipulsakanpada frekuensi 100-1000 Hz. Pulsa dibangkitkandengan menggunakan square-wave generatordengan panjang pulsa sekitar 50 ~s dengantemperatur yang cukup rendah yaitu pada 350 °C.Selain itu, Fewell et.aV8J menemukan juga bahwaRF plasma nitridasi, merupakan proses yang lebihefisien terutama hila digunakan untuk prosesnitridasi pada temperatur rendah. Meskipundernikian Fewell et.a1 juga menambahkan bahwapada saat ini proses plasma nitridasi dengantegangan DC pulsa merupakan proses yang palingbanyak digunakan secara komersial.

x = 2 (D t)0.5 dengan D = Do exp (-Q/R1)

:r

(2)I=Nelt

dimana:

x : kedalaman difusi, Inn

D : koefisien difusi, m2s.

247PLASMARANCANGAN PROTOTIPE PERAUTANNITRIDASIUNTUK KOMPONEN INDUSTRI

B. Bandriyana, dkk.

-Keselamatan untuk peralatan dan operator daribahaya panas dan elektrik.

Do

Q

R

T

N

HASIL RANCANGAN DAN PEMBA-HASAN

koefisien difusi awal, m2s.!

energi aktivasi, Joule/ mol

tetapan gas = 8,314 J/ mol oK

temperatur, oK

jumlah atom

muatan ~lektron

arus plasma, ampere

waktu, detik

Rancangan Dasar Sistem Nitridasi

Untuk memenuhi persyaratan desain,berdasar data operasi dan analisis sistem nitridasi,basil rancangan berupa konsep desain dan deskripsikomponen ditunjukkan dalam ilustrasi pada Gambar2. Peralatan plasma-nitridasi dirancang deng:lntabung berlapis yang terdiri dari tabung baja disebelah luar dan tabung kaca quartz di sebelahdalam. Dengan rancangan ini akan diperolehpengungkungan plasma di ruang plasma sehinggadiperoleh peningkatan efisiensi. Keselamatan alatdan operator juga terjamin dengan tabung rangkapyang dirancang dengan mempergunakan tabungquartz yang dilapisi dengan lilitan isolator panas(ceramic fiber) untuk menghasilkan temperatur padadinding luar tabung baja dibawah 50 DC. Sistemkabel untuk pemanas maupun tegangan tinggi dansaluran vakum dipasang pada dasar tabung untukmemudahkan operasi dan memberikan ru?ng plasmayang luas.

Dari rumusan diatas dapat dinyatakan bahwakemampuan pengerasan nitridasi untuk ketebalan xper-satuan waktu akan ditentukan oleh energiaktivasi dan temperatur sampel. Dengan menghitungluas permukaan sampel dan kedalaman lapisanpermukaan keras yang diinginkan dalam suatu waktutertentu, dapat ditentukan besarnya arus plasma yangdiperlukan. Kebutuhan arus plasma ini secaraeksperimen pada temperatur tertentu dapat dideteksiclan ditentukan berdasar data pengamatan. Denganstandar warna dapat diperoleh tingkat arus plasmadengan mengatur aliran gas nitrogen.

METODA RANCANGAN

Rancangan peralatan plasma berisikan konsepdesain dalam skala prototipe yang disusunberdasarkan data dan spesiflkasi sistem nitridasiuntuk komponen industri seperti yang diuraikandalam pertimbangan desain. Penentuan komponenclan pernilihan material dilakukan dengan mengacupada data desain peralatan dan data percobaanplasma-nitridasi skala laboratorium di P3TM-BAT AN clan studi literatur. Untuk menekan ongkosclan biaya pembuatan alat, komponen dirancanguntuk dibuat dengan merakit bahan-bahan elemendasar yang ada dipasaran lokal.

Untuk peningkatan efisiensi proses nitridasi,rancangan peralatan ini didesain dengan beberapapertimbangan sebagai berikut:

PengungkWlgan plasma untuk efisiensi prosesserta kemudahan pengisolasian temperatur tinggi.

Tabung Nitridasi

Tabung baja bagian luar memiliki diameter-luar 46 CIn, tinggi SS cm Jan tebal 8 rom. Faktoryang perlu diperhatikan untuk tabung adalahkekuatan dan ketahanan terhadap beban gabungandari beban thermal clan tekanan vakum selamaproses[I6, 17, 18), Untuk temperatur nitridasi sampai

500 °C dengan tekanan vakum sebesar 10.3 mEartegangan total maksimum pada tab.ung tidak akanlebih dari 300 N/rrun2. Untuk keperhlan ini tabungluar menggunakan material baja tahan karat 88-304yang mempunyai kekuatan dengan batas teganganluluh sampai dengan 580 N/rrun2 disamping memopunyai ketahanan korosi clan vakum yang tinggi.

Tabung kaca quartz sebagai pengungkungplasma, sebagaimana dijelaskan sebelumnya,didesain berbentuk silinder dengan diameter 38 cmdan tinggi 40 cm sel;ta tebal 0,5 cm clan tahanterhadap temperatur tinggi sampr.i diatas 1000°C.Dengan ukuran ruang ini tabung bisa memprosesmulti-sampel berukuran kecil atau beberapa sampelberukuran besar.

Kemudahan operasional dan perawatan yangmemerlukan desain yang kompak, daD mudahdibongkar-pasang.

Sistem kontrol, pengukuran dan pengaturanyang baik terotama temperatur, tekanan, dan lajualiI gas.

SGluron 9= N2 dlngonWIR don flof.'mmr .kRting9k1n IIutlRt bisfI

dlclTUI'

Tabung luG!'(bojo SS- ~O~)- .

~

f-_~-

--1

-

---~

TU1Vp at= ~Nmli<

dilapis serat Kcrallik

PI~t bGja~1\Jk c"~da

P. menas ~1.i<tTik(4xl00D ~att)

Pe"'~9~9fell!pfl ~

Thermo- .'oupl~

(K-typ41100llC mQ~

Pcngu~~un9 pldSlld(~Qm dilopls StrutkRnl81ik/lsolasi pa,.,!)

J'G~ elltdl' \(_rnlkdi,.li~9 Nrat k,rullik(isolasi panaslperkobelon)

+

'-~: :.-

tJ'8nd~IQ I(Q~Q

(PYr'O")

~

--i twnp. c~1ro1 I~

-bC-HV

DC-HY : 1-50 kV. 1-50 ,,~, pul$Q 100-1000 Ht, Tei«lnQn : 10-3 ~Qr~ : N2 (~tau c~~uP'On). tallpor'O1Ur : 3~O-5'DcC (nl'lJ'idi1g) -'"~ do~19" tu,"p~1U1' 1000oC

Gambar 2. lIustrasidesain perala tan nitridasi

pada temperatur ruang clan pengembanganselanjutnya pengukuran temperatur benda kerja jugaakan dilakukan. Sebagai catatan tambahan, peralatanini didesain untuk dipakai hingga temperaturmendekati 1000 °C, sehingga bisa juga dipakaiuntuk proses pengerasan permukaan lainnyamisalnya karburasi clan nitrokarburasi ataupunperlakuan panas biasa. Dengan batas clankemampuan operasi yang mampu diberikan olehsistem pernanas dapat dijamin kearnanan operasidengan baik. Persyaratan temperatur operasi dapatdicapai clan dikendalikan dengan baik oleh adanyasistem kontrol ternperatur yang handal.

Sistem Aliran Gas

Sistem aliran gas dirancang agar me-

mungkinkan penggunaan gas tunggal (NJ maupuncarnpuran (misalnya. N2IH2, N2/CH4) dengan lajualir yang terukur. Untuk rancangan ini digunakankontrol clan pengukuran aliran gas daTi tabung gasmenuju ruang nitridasi dengan menggunakanflow-meter dan needle valve. Arab dan keluaran gasdalam ruang nitridasi dirancang dengan sambunganvariabel sehingga ketinggian pipa dapat diatur.

Sistem Pemanas

Sistem nitridasi dirancang dengan ruangnitridasi yang dipanaskan menggunakan pemanaselektrik yang memanaskan seluruh ruang uji danbukan hanya benda uji saja. Sistem pemanasdirancang dengan electric-heater (fire-brick), terdiridari 2 buah (2 x 2000 watt) alan 4 buah (4 x 1000watt) untuk mencapai ternperatur operasi yangdiperlukan. Ternperatur dikontrol dengantemperature controller type Autonic 7Z4M berjenisPID dengan kemampuan self-tune. Controller inidilengkapi dengan Solid-State-Relay (SSR) dengankapasitas 30 ampere. Termokopel jenis 'K' dengankemampuan ukur daD ketahanan diatas 1000 °C,dipakai untuk mengukur ternperatur dalam ruangnitridasi untuk diumpankan ke temperaturecontroller..

Temperatur operasi dalam tabung nitridasiplaslna berkisar antara 350 °C-590 °c, dalam desainmemungkinkan ternperatur hingga mendekati 1000°c. Desain sistem pemanas disertai sistem kontroltemperatur yang handa1 daD memiliki reaksi yangcep&t terhadap perubahan temperatur. Dalam desainsaat ini, pengukuran ternperatur hanya dilakukan

~

RANCANGAN PROTOTIPE PERALA TANNITR/DASIUNTUK KOMPONEN INDUSTRI

B. Bandriyana. dkk.

PLASMA. 249

Dengan kondisi ini peralatan bisa dikopel untukproses pengerasan bahan dengan gas atau campurangas serta mekanisme pengerasan lainnya (heat-treatment, njtro-carburjzjng, carburjzjng).

mempercepat ion nitrogen dalam bentuk plasmayang bisa diatur dengan ketinggian pipa outlet gasnitrogen. Dengan rancangan ini Jirencanakanmarnpu melakukan nitridasi baja dengan kedalamanI rnm dan temperatur operasi 350 -600 °C dalamwaktu 6 -8 jam.

Peningkatan efisiensi dengan pengungkunganplasma memerlukan ketelitian dalam desain katode-anode yang juga perlu memperhatikan bahan anodeyang digunakan. Pemilihan bahan disamping tahantemperatur tinggi juga diperhatikan agar tidakmemberikan pengotor dengan melepas ion atauatomnya.

Sistem Tegangan Tinggi

Sistem tegangan tinggi dirancang dengantegangan tinggi DC 1-50 kV dengan arus 1-50 mA.Untuk pengembangan dirancang sumber teganganberupa tegangan tinggi DC berpu1sa denganfrekuensi 100-1000 Hz, clan bi1a mungkin dirancanguntuk bisa dipasangkan juga dengan RF yangditujukan khusus untuk membangkitkan plasma.Komponen tegangan tinggi menggunakan sistemtrafo clan pe1ipat tegangan.

KESIMPULAN

Rancangan peralatan plasma-nitridasi untukkomponen industri memerlukan desain yang efisiendalam membentuk, mengarahkan dan mendifusikanion dan atom nitrogen kedalam bahan komponen.Sistem pengungkung plasma dengan dua tabung dananode pengarah dapat meningkatkan efisiensi proses.Sistem kontrol dan pengaturan aliran gas, tegangantinggi dan temperatur ruang akan menentukanoperasi dan basil pengerasan sehingga perlu didesaindengan keandalan yang tinggi.

ACUAN[1] B.A. TJIPTO SUJITNO, Aplikasi Plasma dan

Teknologi Sputtering untuk Surface Treatment,Diktat Kuliah Worshop sputtering untukrekayasa perrnukaan bahan, P3TM-BATAN,2003.

Sistem Vakum

Untuk operasi nitridasi dirancang sistemvakum pada ruang nitridasi sampai 10.3 mbar.Sistem vakum dihasilkan daTi pompa rotari dengankapasitas 450 l/menit sehingga tekanan vakumruang untuk operasi dapat dicapai dengan waktusekitar 15 menit. Peralatan ukur tekanan vakumpirani-meter, katup pengatur daD beberapa saluranbelows diperlukan untuk pengaturan sistem vakum.

Secara keseluruhan rancangan peralatanpengerasan bahan dengan sistem plasma nitridasiuntuk komponen industri menunjukkan keterkaitanantar komponen dalam menghasilkan prosespembentukan plasma dan pembentukan rase kerasdalam bahan. Unjuk kerja dan karakteristik a1at akanditentukan oleh unjuk kerja daD integritas daTikomponennya sehingga memerlukan ketelitian danperbaikan desain berdasar data eksperimen.

Berdasarkan proses dan operasi peralatanplasma-nitridasi diketahui parameter yangmerupakan faktor penting dalam desain peralatan,yaitu: dirnensi tabung nitridasi, laju aliran gas,tingkat kevakuman, sistem pemercepat tegangantinggi, jarak antar elektrode, temperatur benda kerjadaD waktu/ lamanya proses. Dirnensi tabungberkaitan dengan volume benda kerja yang dapatdinitridasi dan jumlah plasma yang terbentuk. Darirancangan ini dapat dioperasikan untuk ruangnitridasi katup, nosel, bantalan, poros daD beberapaelemen lain pada komponen industri. Laju aliranberpengaruh pada laju nitridasi sehingga menen-tukan waktu operasi. Pengaturan aliran gas dengankatup dirancang mampu menghasilkan arus ionplasma sebesar 10 mA. Tingkat vakum denganpompa yang digunakan diperhitungkan mampumemberikan tekanan vakum sampai 10.3 mbar danruangan nitridasi dapat divakumkan dalam waktusekitar 15 menit. Tegangan tinggi 30 kV akan

[2] SUDJADMOKO, Teknologi Sputering, DiktatKuliah Worshop sputtering untuk rekayasapennukaan bahan, P3TM-BATAN, 2003.

[3] ANONIM, Plasma-nitridasi in Comparisonwith Gas Nitriding, Nitrion GmbH,Nitrierbetriebe Bayem, 2001.

[4j ANONIM, Atlas Steels -Specialty steelsProduct Reference Manual, Section 5:Engineering Bar: Alloy Constructional an CaseHardening, 2000.

[5] P. SCHAAF AND F. LANDRY, MossbauerInvestigation of Nitriding Processes: GasNitriding and Laser Nitriding, MSMS'98,Senice, Slovakia, 1998.

[6] P. SCHAAF, F. LANDRY, MENG HAN, E.CARPENE AND KLAUS-PETER LIEB,Laser Nitriding of Iron, Stainless Steel, andPlain Carbon Steel Investigated by Mossbauer

-~ --~

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah TeknologiAkselerator dan AplikasinyaVol. 5. No. J. Oktober 2003,' 245 -25/

250

Volume 5, Nomor I, Oktober 2003 ISSN /4//-/349

[16] VAN ATTA, C.M, Vacuum Science andEngineering, Mc Graw Hill Book Company,NewYork,1965.

[17] STUART, R.V, Vacuum Technology, ThinFilm and Sputtering, Academic Press, Inc,1983.

[18] SMITH W. F, Structure and properties ofEngineering Alloy, Mc Graw Hill Inc, 1993.

TANYAJAWAB

Suprapto-Apajenis filamen (pemanas).

-Bagaimana memulsakan tegangan DC 1 sid 50 kVdan pakai jenis tegangan tingginya apa?

Bandriyana-Filamen nikelin yang sudah tersusun dengan

keramik sebagai pelindung/ pemegang.

-J enis tegangan tinggi DC dengan CockroftWalton yang dibuat dengan input pulsa, desain inibelum fmal.

Dr. Trimardji A.

-Mengapa digunakan tegangan tinggi sid orde 50kV? Pendapat saya terlalu besar, apalagi untukmemperoleh arus "hanya" 50uA. Mungkin cukupdibuat 10 kV.

-Bahan-bahan apa saja yang akan dinitridasi clanapa harganya setelah bahan tersebut dinitridasi?

Bandriyana-Tegangan operasi direncanakan 30 kV untuk

menghasilkan kekerasan dan lapisan nitrida yangbaik.

-Bahan baja karbon, untuk peralatan yang telahberoperasi dengan baik ongkos akan lebih kecildisbanding cara tradisional.

-Saran, anoda Cu dipertimbangkan, pemilihanbaja karena permeabilitas dan outgasingnya

tinggi.

Spectroscopy, Hyperfine Interactions 139/140:p. 307-314, 2002.

[7] ANONIM, Ion Nitriding, A Distortion-FreeCase Hardening Process, Solar Atmosphere,Pennsylvania, USA.

[8] MA TfHEW FEWELL, JA YSON PRIEST,MATTHEW BALDWIN, Temperatur Effectsin Nitriding with a Low-pressure RF Plasma,Australian Institute of Nuclear Science andEngineering, University of New England,rogress Report, 1998.

[9] SUNIL KUMAR, SABINA GREDEU,ANDREA GERSON AND JOECAVALLARO, NICK DYTLEWSKI, IANW ARK, Characterisation of plasma nitridedaluminium and aluminium-silicon alloysurfaces by RES and PIXE, Progress ReportFor 01/l62C, Research Institute, University ofSouili Australia, 2002.

[10] ANONIM, The Contract Heat TreatmentAssociation, Data-sheet For Non-Heat-Treaters, "nitriding and nitrocarburising",Contract Heat Treatment Association, 1996.

[11] N.N. KOVAL, I. M. GONCHARENKO, S. V.GRIGORIEV, I. V. LOPATIN, J. LANGNER,AND M. J. SADOWSKI, Use of a Low-Pressure Non-self-sustained Arc Discharge forPlasma Ion Treatment of Materials, Instituteof High Current Technics, Rusia, dan AndrzejSoltan Institute for Nuclear Studies, Poland.

[12] ANONIM, Plasma Source Ion Implantationfor Enhancing Materials Surfaces, Los AlamosNational Laboratory, Empire Hard ChromesGeneral Motors, North Star Research andUniversity of Wisconsin, LALP-97-144, 1997.

[13] VON WOLFHARD MOLLER, EDGARRICHTER, Praktische Anwendungen derlonenimplantation, Sonderuck aus Heft Nr. 3,Band 89, der Fachzeitschrift, "Galvano-technik", Eugen Go, Leuze Verlag, D-88348,Saulgau, 1998.

[14] GUNTHER LIEBMANN, Is Substituting CaseHardening with Nitriding Possible forComponents Susceptible to Distortion?,Haarterel Reese W eirnar.

[15] CASPER V BUDTZ-J0RGENSEN, Studies ofElectrical Plasma Discharges, PhD Thesis,Faculty of Science, Aarhus University,Denmark, 2001.