KAR

HSS

RAKTERIS

S YANG D

SASI SIFA

DILAPISI

Untu

menc

HE

PROGJU

FAKULUNIV

AT MEKA

TiN DEN

TUG

uk memenu

capai deraja

di Te

Diaj

ERMAWAN

04

GRAM STURUSAN LTAS SAI

VERSITASYOG

i

ANIS BAH

GAN TEK

GAS AKHIR

uhi sebagai p

at Sarjana T

eknik Mesin

jukan oleh :

N AGUNG

45214040

UDI TEKTEKNIK

INS DAN TS SANATA

GYAKART2009

HAN PAH

KNOLOG

R

persyaratan

Teknik Mesi

n

:

WIJAYA

KNIK MESK MESIN

TEKNOLA DHARMTA

HAT POTO

GI SPUTTE

n

in

SIN

LOGI MA

ONG BAJ

ERING DC

JA

C

Mechanical Ch

P

MECME

S

aracteriza

Presented a

To O

HE

CHANICAECHANICSCIENCE

SANA

ation of th

using SA

as Partial Fu

Obtain the S

In Mechani

ERMAWAN

04

AL ENGINCAL ENGIE AND TEATA DHA

YOG

ii

he TiN Lay

Sputtering A THESIS

ulfillment o

Sarjana Tek

ical of Engi

By:

N AGUNG

45214040

NEERINGINEERIN

ECHNOLOARMA UN

GYAKART2009

yered Chis

DC

f the Requir

knik Degree

ineering

WIJAYA

G STUDY PNG DEPAROGY FACNIVERSITTA

sel HSS St

rements

e

PROGRARTMENT

CULTY TY

teel Mater

AM T

rial

vi

INTISARI

Pahat potong baja HSS merupakan pahat potong yang digunakan pada mesin-mesin

konvensional seperti mesin bubut. Pahat potong baja HSS akan mengalami keausan jika digunakan secara terus-menerus. Untuk memperbaiki salah satu sifatnya agar tahan aus dengan meningkatkan kekerasannya. Peningkatan kekerasan pahat potong baja HSS dapat dilakukan dengan teknik sputtering dc.

Kondisi optimal deposisi lapisan tipis TiN pada pahat baja HSS diperoleh dari pengujian sampel pahat yang telah divariasi suhu, waktu pelapisannya dan aliran gas reaktif nitrogen. Mesin sputtering dc dioperasikan pada tekanan tetap sebesar 1,8 x 10-1 torr, beda potensial sebesar 5 kV, arus sebesar 18 mA dan aliran gas sputter, gas argon sebesar 34,02 sccm. Setiap layer hasil deposisi lapisan tipis TiN dan pahat baja HSS mula-mula diuji kekerasannya menggunakan alat uji kekerasan knoop dengan beban penekanan sebesar 10 g. Kekerasan optimal dari pahat baja HSS yang telah dilakukan pengujian knoop dan pahat baja HSS mula-mula dapat dilakukan pengujian SEM dan EDS.

Hasil penelitian deposisi lapisan tipis TiN pada pahat potong baja HSS dengan pahat baja HSS mula-mula menunjukkan adanya peningkatan kekerasan dari kekerasan pahat baja HSS mula-mula sebesar 819 kg /mm2 menjadi 2182,26 kg /mm2 dengan kenaikan kekerasan sebesar 166 %. Pada pengujian SEM menunjukkan adanya pelapisan dan pengujian EDS menunjukkan adanya unsur Ti dan N di permukaan pahat baja HSS bila dibandingkan dengan pahat baja HSS mula-mula. Kata kunci : Sputtering, TiN, HSS

 

viii

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat

dan anugrah-Nya, sehingga Tugas Akhir ini dapat tersusun dan dapat terselesaikan

dengan lancar. Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat yang harus ditempuh

untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Fakultas Sains

dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

Dalam penulisan Tugas Akhir ini, penulis banyak mendapatkan bantuan

yang berupa dorongan, motivasi, doa, sarana, materi sehingga dapat

terselesaikannya Tugas akhir ini. Oleh karena itu penulis mengucapkan terima

kasih kepada semua pihak yang telah memberikan bantuannya, antara lain

1. Dr. Ir. P. Wiryono Priyotamtama, SJ., selaku Rektor Universitas Sanata

Dharma.

2. Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas

Sanata Dharma.

3. Budi Sugiharto, S.T., M.T, selaku ketua Program Studi Teknik Mesin.

4. I Gusti Ketut Puja, S.T., M.T selaku dosen Pembimbing Utama Tugas Akhir.

5. Kepala pimpinan Laboratorium Teknik Mesin PAU-UGM Yogyakarta atas

izinnya melakukan pengujian kekerasan knoop.

6. Kepala Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan BATAN Yogyakarta

atas ijinnya untuk melakukan penelitian.

7. Drs. B.A. Tjipto Suyitno, M.T., APU., selaku Kepala Kelompok Akselerator

yang telah memberi izin untuk melakukan penelitian di BATAN Yogyakarta.

ix

8. Ir. Wirjoadi, yang telah mengarahkan dan membimbing penulis didalam

penyusunan Tugas Akhir ini.

9. Pak Karmadi, yang membantu dan memberikan saran serta sebagai

pembimbing dilapangan selama penelitian di BATAN.

10. Pak Bambang, yang membantu memberikan saran dan dukungan selama

dilapangan hingga terselesainya penelitian.

11. Bapak Sutopo yang telah memberikan izin atas penggunaan Laboratorium

Teknik Mesin UNY.

12. Segenap staf karyawan yang ada di PTAPB-BATAN dan Universitas Negeri

Yogyakarta.

13. Segenap staf pengajar Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata

Dharma Yogyakarta yang telah mendidik dan memberikan ilmu pengetahuan

kepada penulis sehingga sangat berguna dalam penyelesaian Tugas Akhir ini.

Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan-kekurangan yang

perlu diperbaiki dalam penulisan Tugas Akhir ini, untuk itu penulis

mengharapkan masukan dan kritik, serta saran dari berbagai pihak untuk

menyempurnakannya. Semoga penulisan Tugas Akhir ini dapat bermanfaat, baik

bagi penulis maupun pembaca.

Terima kasih.

Yogyakarta, 28 Januari 2009

Penulis

x

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ......................................................................................... i

TITLE PAGE .................................................................................................... ii

LEMBAR PENGESAHAN PEMBIMBING .................................................. iii

LEMBAR PENGESAHAN .............................................................................. iv

LEMBAR PERNYATAAN .............................................................................. v

INTISARI .......................................................................................................... vi

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ………………vii

KATA PENGANTAR ....................................................................................... viii

DAFTAR ISI ...................................................................................................... x

DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... xiii

DAFTAR TABEL ............................................................................................. xv

BAB I PENDAHULUAN …………………………………………………. 1

I.1 Latar Belakang …………………………………………….…… 1

I.2 Batasan Masalah ………………….……………………… 4

I.3 Rumusan Masalah …………………………………………. 4

I.4 Tujuan Penelitian …………………………………………. 5

I.5 Batasan Masalah …………………………………………. 5

I.6 Manfaat …………………………………………………………. 6

BAB II TINJAUAN PUSTAKA………………………………………….... 7

II.1 Tinjauan Pustaka ………………………………………… 7

xi

II.2 Landasan Teori …………………………………………………. 8

II.2.1 Produksi Baja ………………….………….………….... 8

II.2.2 Sifat Baja ………………….………….………….... 9

II.2.3 Pengaruh Unsur-unsur Paduan Pada Baja ...……… 10

II.2.4 Jenis-jenis Baja ………………………………….……… 13

II.2.4.1 Baja Karbon ………….………….…………………. 13

II.2.4.2 Baja Paduan ………….………….………….……… 13

II.2.5 Pahat Bubut Baja HSS ………….………….…………. 14

II.2.6 Plasma ………….………….………….………….…… 16

II.2.7 Plasma Sputtering ………….………….…………. 17

II.2.8 Proses Pembentukan Lapisan Tipis TiN pada Baja HSS… 21

II. 2.9 Titanium Nitrida ………….………….…………. 23

II.2.10 Uji Kekerasan Knoop ………….…………………….. 25

II. 2.11 SEM & EDS ………….………….………….……… 25

BAB III METODE PENELITIAN …………………………………………. 29

III.1 Diagram Alir Penelitian ………………………………… 29

III.2 Persiapan Bahan & Peralatan Penelitian ………………… 30

III.2.1 Bahan-bahan Yang Digunakan ………….……… 30

III.2.2 Alat Yang Digunakan ………….………….…… 31

III.3 Preparasi Sampel …………………………………………. 34

III.4 Pelaksanaan Sputtering TiN pada Baja HSS ………………… 39

III.5 Karakterisasi ………………………………….……… 40

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ………………………………… 43

xii

IV.1 Hasil Uji Kekerasan …………………………………………. 43

IV.2 Hasil Uji SEM & EDS ………………….………….…... 48

IV.3 Kesulitan Penelitian …………………………………………. 54

BAB V KESIMPULAN & SARAN ……………………........................…… 56

IV.1 Kesimpulan …………............………………………………. 56

IV.2 Saran …………........................………………………………. 57

DAFTAR PUSTAKA ........……………………………………………. 58

LAMPIRAN …………………........................………………………………. 59

xiii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 3.1 Diagram alir penelitian .................................................................. 29

Gambar 3.2 Pahat bubut baja HSS .................................................................. 30

Gambar 3.3 Alat Sputtering DC .................................................................. 31

Gambar 3.4 Microhardness Tester Knoop (KHN) .......................................... 32

Gambar 3.5 Electric Discharge Machine (EDM) .......................................... 32

Gambar 3.6 Alat uji SEM & EDS .................................................................. 34

Gambar 3.7 Potongan sampel pahat bubut baja HSS .............................. 34

Gambar 3.8 Proses pemotongan pahat baja HSS dengan EDM ................. 35

Gambar 3.9 Sampel pahat baja HSS hasil pemotongan dengan EDM ...... 36

Gambar 3.10 Sampel pahat baja HSS yang di polish .............................. 37

Gambar 3.11 Skema alat Sputtering DC ......................................... 39

Gambar 4.1 Grafik kekerasan terhadap waktu deposisi pada variasi suhu

(150, 200, 250, 300)˚C dengan aliran gas reaktif nitrogen 5 sccm

........................................................................................................ 45

Gambar 4.2 Grafik kekerasan terhadap variasi aliran gas reaktif nitrogen pada

suhu 250˚C dan waktu deposisi 90 menit

........................................................................................................47

Gambar 4.3 Hasil SEM permukaan HSS mula-mula ........................................ 48

Gambar 4.4 Hasil SEM permukaan HSS yang terdeposisi TiN pada suhu 250˚C,

waktu deposisi 90 menit dan aliran gas reaktif nitrogen

sebesar 5 sccm ............................................................................ 49

xiv

Gambar 4.5 Hasil EDS dari sampel pahat HSS mula-mula ................................ 50

Gambar 4.6 Hasil EDS pahat HSS terdeposisi TiN pada suhu 250˚C , waktu

deposisi 90 menit dan aliran gas reaktif nitrogen 5 sccm ............. 52

Gambar 4.7 Hasil SEM penampang lintang HSS yang terdeposisi TiN pada suhu

250˚C, waktu deposisi 90 menit dan aliran gas reaktif nitorgen

sebesar 5 sccm ..................................................................................52

Gambar 4.8 Hasil EDS penampang lintang HSS yang terdeposisi TiN pada suhu

250˚C, waktu deposisi 90 menit dan aliran gas reaktif nitrogen

sebesar 5 sccm.................................................................................................... 53

xv

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Nilai kekerasan dengan variasi suhu, waktu deposisi dan aliran gas

reaktif nitrogen sebesar 5 sccm

……..…..……………………………………… 44

Tabel 4.2 Nilai kekerasan dengan variasi aliran gas nitrogen, pada suhu 250 ˚C

dan waktu deposisi 90 menit

........................................................................................ 47

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Kebutuhan industri mengenai pemakaian logam sebagai alat potong (cutting

tools) memaksa setiap industri untuk melakukan penghematan dengan cara

meningkatkan kemampuannya (performance). Salah satu kebutuhan industri

mengenai logam sebagai alat potong (cutting tools) adalah pemakaian pahat bubut

baja kecepatan tinggi (HSS). Sebelum dikembangkannya pahat baja kecepatan

tinggi (HSS), digunakan baja karbon untuk semua jenis pahat yang mempunyai

kandungan karbon antara 0,8 % sampai 1,2%. Pahat ini tidak sesuai untuk

pekerjaan tinggi karena pahat baja karbon kehilangan kekerasannya pada suhu

sekitar 300 C° . Penggunaannya juga terbatas pada bahan yang lunak seperti kayu.

Pahat baja karbon ini kemudian tidak diminati dan orang mulai beralih

menggunakan pahat baja kecepatan tinggi (HSS), setelah diketemukan oleh Fred

W Taylor dan M. White pada tahun 1900. Sama seperti logam yang lainnya, pahat

baja HSS ini jika digunakan secara terus menerus juga akan mengalami keausan.

Untuk meningkatkan kemampuan pahat baja HSS agar tahan aus dapat dilakukan

dengan meningkatkan kekerasannya. Semakin tinggi kekerasannya, maka

semakin rendah keausan yang terjadi pada baja (Amstead, 1993)

2

Baja HSS juga memiliki kemampuan pemotongan (feeding) yang sangat

rendah bila dibandingkan dengan tungsten carbide, coated carbide, ceramic

cermet, cubic boron nitride, dan diamond. Sebagai bahan perbandingan, apabila

HSS digunakan untuk membubut baja karbon rendah, maka kecepatan potongnya

165 ft / min, sementara untuk ceramic cermet kecepatan potongnya 1200 ft / min

(Amstead, 1993).

Salah satu usaha yang dilakukan untuk meningkatkan kemampuan

pemotongan dari material HSS dapat dilakukan dengan teknik perlakuan khusus

pada permukaan bahan (surface treatment). Menurut John.A. Schey bahwa

surface treatment dapat dilakukan dengan beberapa macam proses, salah satunya

adalah proses deposition. Pada proses deposition biasanya digunakan untuk

membentuk lapisan tipis diatas permukaan material. Pembuatan lapisan tipis

diatas permukaan material dapat meningkatkan sifat-sifat mekanik suatu bahan

yaitu kekerasannya. Mengenai pendeposisian lapisan tipis (Thin Film Deposition)

itu sendiri dapat diklasifikasikan menjadi beberapa kelompok (Konuma,1992),

yaitu :

1. Physical Vapor Deposition (PVD)

a. Sputter Deposition

b. Ion Plating

c. Activated Reactive Evaporation

3

2. Chemical Vapor Deposition (CVD)

a. Plasma Enhanced CVD

b. Plasma Decomposition

c. Plasma Polymerization

3. Surface Modification

a. Ion Carburizing

b. Plasma Nitriding

c. Plasma Oxidation

Proses untuk dapat mendepositkan atom-atom hasil percikan bahan target

pada permukaan substrat atau material dapat dilakukan dengan alat sputtering.

Proses yang terjadi dengan menggunakan alat sputtering disebut juga sebagai

sputtering. Sputtering adalah suatu fenomena, dimana suatu permukaan bahan

padat (target) mengalami tembakan partikel-partikel (ion atau neutral) berenergi,

maka material (dalam bentuk atom-atom) dari permukaan bahan padat tersebut

akan terpercik / terlempar keluar akibat proses transfer momentum. (Suyitno,

2003).

Menurut Suyitno (2003) Surface Treatment dapat didefinisikan sebagai

suatu usaha dalam upaya meningkatkan kualitas / mutu permukaan material /

komponen sesuai dengan yang diinginkan. Dalam surface treatment, yang

berubah sifat hanya pada permukaannya saja, sedangkan yang dibagian dalam

sifatnya tidak berubah. Hal tersebut dapat dilakukan dengan pertimbangan bahwa

4

dari material dengan kualitas sedang dapat diperoleh kualitas yang jauh lebih baik

dari material dasarnya (Malau, 2003).

Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui karakterisasi sifat mekanis bahan

pahat potong baja HSS yang dilapisi dengan TiN ditinjau dari kekerasannya dan

perubahan struktur mikronya, apabila dibandingkan dengan HSS mula-mula

(sebelum dilapisi).

1.2 Perumusan Masalah

High Speed Steel (baja kecepatan tinggi) merupakan salah satu bahan yang

masih digunakan sebagai alat potong pada mesin-mesin perkakas, khususnya

untuk machining material dengan kekerasan rendah. Oleh karena itu proses

deposisi lapisan tipis dengan teknik sputtering dapat dijadikan alternatif untuk

meningkatkan kualitas permukaan material tersebut.

Permasalahan yang akan diteliti dan dibahas pada penelitian ini adalah

seberapa besar pengaruh deposisi lapisan tipis TiN mampu meningkatkan

kekerasan dan perubahan struktur mikro pada bahan pahat potong baja HSS.

1.3 Batasan Masalah

Penelitian ini dibatasi pada pahat potong mesin bubut baja HSS yang dibeli

dipasaran tanpa sertifikasi dengan ukuran (9,525 x 9,525 x 99) mm3 yang akan

dijadikan sebagai substrat. Target yang digunakan adalah titanium dengan

diameter 60 mm dan tebal 3 mm yang telah tersedia dilaboratorium Pusat

Teknologi Akselerator dan Proses Bahan (PTAPB) BATAN, Yogyakarta.

5

Deposisi lapisan tipis dilakukan dengan menggunakan teknologi sputtering DC

dimana dilakukan variasi suhu, waktu deposisi dan variasi aliran gas reaktif

nitrogen untuk memperoleh kondisi yang optimum dengan aliran gas sputter

argon tidak divariasi/ tetap sebesar 34,202 sccm. Kondisi alat sputtering

dioperasikan pada tegangan 5 kV dan arus 10 mA. Pengujian kekerasan mikro

dilakukan dengan alat Knoop (KHN) dan karakterisasi struktur mikro dilakukan

dengan alat SEM (Scanning Electron Microscope). Untuk mengetahui komposisi

unsur kimia dilakukan dengan EDS (Energi Dispersive Spectroscopy).

1.4 Tujuan Penelitian

Tujuan dilakukan penelitian ini adalah untuk mengetahui :

1. Pengaruh deposisi lapisan tipis TiN pada variasi suhu, waktu deposisi dan

aliran gas reaktif nitrogen terhadap peningkatan kekerasan permukaan

material pahat potong baja HSS.

2. Karakteristik struktur mikro dari bahan pahat potong HSS yang telah dilapisi

TiN dengan pahat potong baja HSS mula-mula.

3. Komposisi unsur kimia pada permukaan bahan pahat potong baja HSS yang

terdeposisi TiN dan pahat potong baja HSS mula-mula.

1.5 Manfaat Penelitian

Manfaat yang dapat diperoleh dari penelitian ini, antara lain :

1. Hasil penelitian dari terbentuknya lapisan tipis pada permukaan substrat

bahan pahat potong HSS diharapkan dapat meningkatkan sifat mekanik bahan

6

tersebut, sehingga diperoleh material baru dengan sifat dasar logam (base

metal) yang sama dan memperbaiki sifat mekanik bahan menjadi lebih

unggul.

2. Sebagai sumber informasi dan referensi bagi penelitian yang serupa untuk

pengembangan penelitian lebih lanjut.

7

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Tinjauan Pustaka

Penggunaan sputtering untuk tujuan pendeposisian pertama kali

diperkenalkan oleh Grove pada tahun 1852. Fenomena ini ditemukan ketika

Grove melakukan penelitian lucutan listrik dalam gas, dimana tampak

terbentuknya lapisan logam pada dinding tabung lucutan pijar dalam daerah

elektrode negatif. Sputtering merupakan salah satu teknik PVD (Physical Vapor

Deposition), dimana suatu bahan diubah menjadi fase uap (vapor phase), dalam

ruang vakum dan dikondensasikan pada permukaan substrat (Malau, 2003).

Suyitno (2003), menyatakan bahwa teknologi sputtering dapat diaplikasikan

untuk meningkatkan sifat keras, tahan aus dan tahan suhu tinggi. Selain itu

teknologi sputtering terbukti mampu meningkatkan kekerasan permukaan bahan

dengan keuntungan ; (1) dapat digunakan untuk melapiskan lapisan tipis dengan

titik lebur tinggi, (2) dapat digunakan untuk melapiskan lapisan tipis pada bahan

logam, paduan, semikonduktor, dan bahan isolator, (3) memiliki daya rekat yang

tinggi, (4) ketebalan lapisan dapat dikontrol, serta (5) penghematan material yang

dilapiskan. Menurut Ibrahim (2004) dengan melakukan penelitian deposisi

lapisan tipis TiN pada substrat HSS dengan teknik sputtering DC, hasil

8

penelitiannya menunjukkan adanya peningkatan kekerasan sebesar 61,6 %.

Sementara Yuniarto dkk., (2003) juga melakukan penelitian tentang deposisi

lapisan tipis TiN pada ujung mata bor dengan teknik implantasi ion, diperoleh

hasil peningkatan kekerasan sebesar 51,67%.

2.2. Landasan Teori

2.2.1. Produksi Baja

Untuk mendapatkan baja dilakukan serangkaian proses. Pertama-tama

bijih besi yang merupakan hasil tambang dilebur dalam dapur tinggi (blast

furnace) untuk mendapatkan besi mentah (pig iron). Besi mentah hasil dapur

tinggi masih mengandung unsur-unsur C, Si, Mn, P dan S dengan jumlah

cukup besar. Kandungan unsur-unsur tersebut perlu dikurangi agar diperoleh

baja sesuai dengan keinginan. Proses pembuatan baja dapat diartikan sebagai

proses yang bertujuan untuk mengurangi kadar C, Si, Mn, P dan S dari besi

mentah lewat proses oksidasi peleburan. Proses oksidasi peleburan dapat

dilakukan dalam bermacam –macam dapur / tungku seperti :

a. Konverter (converter):

1). Proses Bessemer

2). Proses Thomas

3). Proses Oksigen Berlebih

b. Dapur Tungku Terbuka (open heart furnace atau siemen martin):

1). Basic Open-Heart

9

2). Acid Open-Heart

c. Dapur Listrik (electric furnace):

1). Electric Are-Furnace

2). Induction Furnace

2.2.2. Sifat Baja

Baja yang banyak digunakan tentunya baja yang mempunyai sifat-sifat

sebagai berikut:

a. Malleability /dapat ditempa

Logam ini mudah dibentuk dengan suatu gaya, baik dalam suatu keadaan

dingin maupun panas tidak terjadi keretakan, misalnya dengan hammer

ataupun dengan rol.

b. Ductility /dapat ditarik / ulet

Logam dapat dibentuk dengan tarikan tanpa menunjukkan gejala putus.

c. Toughness /ketangguhan

Kemampuan suatu logam untuk dibengkokkan beberapa kali tidak

mengalami keretakan.

d. Hardness /kekerasan

Ketahanan suatu logam terhadap penetrasi logam lain.

e. Strength /kekuatan

Kemampuan suatu logam untuk menahan gaya yang bekerja atau

kemampuan logam menahan deformasi.

10

f. Weldability /mampu las

Kemampuan logam untuk dapat dilas, baik dengan las listrik maupun las

karbit atau gas.

g. Corrosion resistance /tahan korosi

Kemampuan suatu logam untuk menahan korosi atau karat akibat

kelembaban udara, zat-at kimia dan lain-lain.

h. Machinability /mampu mesin

Kemampuan suatu logam untuk dikerjakan dengan mesin, misalnya

dengan mesin bubut, mesin skrap, mesin frais dan lain-lain.

i. Elastisity

Kemampuan suatu logam untuk kembali kebentuk semula.

j. Brittleness /kerapuhan

Sifat logam yang mudah retak dan pecah, sifat ini berhubungan dengan

kekerasan atau hardness dan merupakan kebalikan dari ductility.

2.2.3. Pengaruh Unsur-unsur Paduan pada Baja

Unsur-unsur paduan pada baja, antara lain:

a. Sulfur ( S )

Semua baja mengandung unsur S. Kadar unsur ini harus dibuat sekecil

mungkin karena unsur S dapat menurunkan kualitas baja. Kadar S dalam

jumlah yang banyak menjadikan baja rapuh pada suhu tinggi (panas).

11

b. Phosfor ( P )

Semua baja juga mengandung unsur P. Unsur ini pada baja dibuat sekecil

mungkin karena unsur P menjadikan baja rapuh pada suhu rendah

(dingin).

c. Mangan ( Mn )

Unsur Mn selalu terdapat pada baja karena diperlukan dalam proses

pembuatan baja. Kadar Mn lebih kecil dari 0,6 % tidak dianggap sebagai

unsur paduan karena tidak mempengaruhi sifat baja secara menyolok.

Unsur Mn dalam proses pembuatan baja berfungsi sebagai deoxider

( pengikat O2 ) sehingga proses peleburan dapat berlangsung baik. Kadar

Mn rendah dapat juga menurunkan kecepatan pendinginan kritis.

d. Nikel ( Ni )

Unsur ini memberikan pengaruh yang sama dengan Mn pada baja yaitu

menurunkan suhu kritis dan kecepatan pendinginan kritis. Kadar Ni cukup

banyak menjadikan baja austenit pada suhu kamar. Ni membuat struktur

butiran baja halus dan menaikkan kualitas baja.

e. Silikon ( Si )

Unsur Si selalu terdapat dalam baja. Unsur ini menurunkan laju

perkembangan gas, sehingga mengurangi sifat berpori baja. Si akan

12

menaikkan tegangan tarik, menurunkan kecepatan pendinginan kritis.

Unsur Si harus selalu ada dalam baja walaupun jumlah kecil untuk

memberi sifat mampu las dan mampu tempa baja.

f. Cromium ( Cr )

Cr dapat memindahkan titik eutektik kekiri. Cr dan C akan membentuk

carbide yang akan menaikkan kekerasan baja. Cr akan meningkatkan

kemampuan potong dan daya tahan alat perkakas, tetapi menurunkan

keuletan. Cr akan menurunkan kecepatan pendinginan kritis. Dan

menaikkan suhu kritis baja.

g. Cobalt ( Co )

Biasanya unsur Co digunakan bersama-sama unsur paduan lainnya. Unsur

Co dapat menaikkan daya tahan aus danmenghalangi pertumbuhan butir.

h. Tungsten ( W )

Unsur W dapat membentuk carbide dalam baja sehingga dapat menaikkan

kekerasan, kemampuan potong dan daya tahan aus baja. Juga dapat

meningkatkan ketahanannya terhadap panas atau temperatur tinggi pada

kecepatan tinggi.

i. Molibdenum ( Mo )

Unsur Mo juga dapat membentuk carbide dalam baja sehingga dapat

menaikkan kekerasan, kemampuan potong dan daya tahan aus baja. Unsur

13

ini juga memiliki pengaruh pada baja yang juga sama dengan Tungsten

dapat meningkatkan ketahanan baja pada suhu tinggi.

j. Vanadium ( V )

Unsur ini memberikan pengaruh yang sama pada baja seperti unsur W dan

Mo. Ketiga unsur ini yaitu: W, Mo dan V sering digunakan pada unsur

paduan pahat baja HSS ( High Speed Steel)

2.2.4. Jenis-jenis Baja

Secara umum baja dapat dibedakan menjadi 2 jenis, yaitu :

2.2.4.1. Baja Karbon (Carbon Steel)

Merupakan jenis baja yang paling awal dikenal oleh orang. Baja ini

mempunyai komponen utama Fe dan C yang dapat dibedakan menjadi:

a. Baja karbon rendah dengan kandungan karbon (0,05-0,30)%

b. Baja karbon sedang dengan kandungan karbon (0,3-0,5)%

c. Baja karbon tinggi dengan kandungan karbon lebih besar dari 0,5%

2.2.4.2. Baja Paduan (Alloy Steel)

Baja paduan adalah baja yang mengandung unsur-unsur paduan dengan

elemen paduan yang ditambahkan pada Fe dan C. Unsur-unsur paduan

tersebut dapat berupa: Mn (Mangan), Ni (Nikel), Cr (Kromium), Mo

(Molibdenum), Si (Silikon), dan lain-lain. Baja paduan dapat

diklasifikasikan menjadi :

14

a. Baja Paduan Rendah (Low Alloy Steel)

Baja yang unsur tambahannya selain karbon lebih kecil dari 8%.

Misalnya: Baja paduan dengan kandungan karbon sebesar 1,35% dan

unsur-unsur tambahan yaitu 0,35%Si; 0,5%Mn; 0,03%P; 0,03%S;

0,75%Cr dan 4,5%W.(Maka elemen unsur paduan bila dijumlahkan

sebesar 6,06%

15

paduan lain yang umum adalah vanadium, molibdin dan kobalt. Meskipun

terdapat berbagai komposisi baja kecepatan tinggi, tetapi dapat

dikelompokkan dalam tiga kelas berikut :

a. Baja kecepatan tinggi 18-4-1

Baja ini mengandung wolfram 18%, chrom 4%, dan vanadium 1%,

dan dianggap sebagai salah satu dari baja pahat serba guna yang paling

baik.

b. Baja kecepatan tinggi Molibdenum

Beberapa baja kecepatan tinggi menggunakan molibdenum sebagai

elemen pemadu utama, karena satu bagian akan menggantikan dua

bagian wolfram. Baja molibdenum seperti 6-6-4-2 mengandung

wolfram 6%, molibdenum 6%, khrom 4% dan vanadium 2%

mempunyai ketahanan dan kemampuan memotong sangat baik.

c. Baja kecepatan sangat tinggi

Beberapa baja kecepatan tinggi mempunyai cobalt yang ditambahkan

kedalamnya sejumlah berkisar dari 2 sampai 15%, karena elemen ini

meningkatkan efisiensi pemotongan, khususnya pada suhu tinggi. Satu

analisa dari baja ini mengandung wolfram 20%, chrom 4%, vanadium

2% dan cobalt 12%. Karena bahan ini mahal, hanya dipakai terutama

untuk operasi pemotongan berat yang menimpakan tekanan tinggi dan

16

suhu tinggi pada pahat. (Dikutip dari Buku Teknologi Mekanik Jilid I,

hal 84)

2.2.6. Plasma

Plasma didefinisikan sebagai gas yang terionisasi dengan muatan positif

dan negatif dalam keadaan seimbang. Ada beberapa cara untuk membuat

kondisi gas agar berada dalam keadaan plasma, yaitu dengan teknik :

a. Lucutan pijar (glow discharge)

b. Osilator radio frekuensi (RF)

c. Pemanasan laser

d. Pemanasan tiba-tiba

e. Pemanasan langsung

f. Mengalirkan arus listrik

Plasma lucutan pijar DC terbentuk karena adanya beda tegangan antara

anoda dan katoda, sehingga menimbulkan arus. Arus tersebut akan

mengionisasi gas dalam tabung reaktor, sehingga menghasilkan ion-ion

bermuatan positif dan negatif. Dalam lucutan pijar, kecepatan elektron

sedemikian besar dan interaksi yang terjadi begitu cepat. Akibatnya pasangan

elektron dan ion bebas mampu membangkitkan pembawa muatan seketika

secara bergantian dan terus-menerus dengan seimbang. Kondisi dengan

muatan positif dan negatif yang berada dalam keadaan seimbang ini

dinamakan plasma.

17

2.2.7. Plasma Sputtering

Plasma sputtering adalah proses dimana pada permukaan bahan padat

(target) ditumbuki partikel berenergi, sehingga atom-atom bahan (target)

terpercik keluar terdeposisi pada permukaan substrat (media yang dilapisi)

untuk mendapatkan suatu bahan lapisan tipis. Proses sputtering diawali

dengan adanya tumbukan pertama antara ion-ion penumbuk dengan atom-

atom permukaan target. Perpindahan atom-atom permukaan target akhirnya

lebih isotropik akibat tumbukan secara terus-menerus dan atom-atom

permukaan target dapat terlepas dari ikatan atomnya.

Diantara teknik pelapisan sputtering yang paling sederhana adalah teknik

DC sputtering yang terdiri dari sepasang elektroda plat sejajar yaitu anoda dan

katoda.

Target adalah material yang akan dideposisikan dan dihubungkan dengan

terminal negatif dari sumber tegangan tinggi DC, disebut sebagai katoda.

Substrat diletakkan pada anoda yang posisinya berhadapan dengan katoda

(target). Ruang sputtering diisi oleh gas sputtering, sebagai media pembentuk

plasma. Gas yang digunakan diantaranya adalah neon (Ne), argon (Ar),

kripton (Kr) dan xenon (Xe). Gas argon lebih mudah mengalami ionisasi dan

memiliki massa lebih besar dibandingkan yang lain.

Proses sputtering mulai terjadi ketika dihasilkan lucutan listrik dan gas

argon secara listrik menjadi konduktif, karena mengalami ionisasi. Lucutan

18

listrik yang bertekanan rendah dikenal sebagai lucutan pijar (glow discharge).

Gas yang terionisasi akan menghasilkan ion-ion bermuatan positif dan ion-ion

bermuatan negatif yang mempunyai jumlah muatan seimbang yang disebut

dengan plasma.

Terbentuknya plasma dalam lucutan pijar disebabkan karena adanya beda

tegangan antara anoda dan katoda yang menyebabkan timbulnya medan

listrik. Gas argon yang terionisasi akan dipercepat oleh medan listrik dan

bertumbukan dengan atom-atom gas argon lainnya yang belum terionisasi,

sehingga menghasilkan ion-ion bermuatan positif, ion-ion bermuatan negatif

(elektron) dan molekul-molekul gas tereksitasi. Elektron-elektron

memperoleh energi dari medan listrik dan bertumbukan dengan atom-atom

gas argon.

Tumbukan elektron-elektron dengan atom-atom gas argon menyebabkan

ionisasi kembali terjadi pada atom-atom gas argon yang menghasilkan ion-ion

bermuatan positif, elektron-elektron dan molekul-molekul gas tereksitasi.

Tumbukan yang terjadi diantara partikel-partikel ini berlangsung secara terus-

menerus dan pada kondisi tertentu ion-ion bermuatan positif dan ion-ion

bermuatan negatif memiliki jumlah muatan yang seimbang (Konuma,M.,

1992).

Saat menumbuk permukaan target, maka energi yang ditransfer ke atom-

atom target adalah sebesar:

19

Et = EiMMMM

si

si2)(

.4+

............................................ (1)

dengan;

Et = energi yang dipindahkan (Joule)

Mi = massa ion gas sputter (gram)

Ms = massa atom target (gram)

Ei = energi partikel penumbuk (Joule)

Bila Mi < Ms, maka ion gas sputter akan dipantulkan kembali dari

permukaan target. Bila Mi = Ms, maka Ei = Et , ini berarti energi ion gas

sputter seluruhnya diberikan ke atom-atom target. Jika Mi > Ms maka

keduanya akan meninggalkan tempat tumbukan dan menuju kearah bagian

dalam permukaan target.

Jumlah atom yang terlepas dari permukaan target per ion gas sputter

(penumbuk) dinyatakan dengan persamaan:

S = EiMME

MMk

si

si2)(cos)(

.+θλ

........................................ (2)

Dimana k adalah konstanta yang nilainya tergantung pada jenis target,

λ (E) adalah jalan bebas rata-rata tumbukan elastis yang merupakan fungsi

dari jumlah atom kisi dan jari-jari tumbukan model bola tegar, θ adalah sudut

dating ion gas sputter.

Jumlah partikel/atom yang terpercik persatuan luasan katoda (target) dapat

dituliskan oleh persamaan:

20

Wo =ANe

AtSJ.

...+ ................................................. (3)

dengan;

J+ = rapat arus berkas ion (orde mA/cm2)

e = muatan elektron (1,6 x 10-19 coulomb)

S = sputter yield (atom/ion)

t = waktu deposisi

A = berat atom target (amu)

NA = bilangan Avogadro (6,021 x 10 23atom/mol)

Sedangkan jumlah atom yang menempel pada permukaan material

substrat persatuan luas adalah:

W=dP

Wk o.

1 ................................................... (4)

dengan;

k1 = rc/ra, rc dan ra masing-masing adalah jari-jari atom

katoda dan anoda , untuk system planar k1 =1

P = tekanan (torr)

d = jarak antar elektrode (cm)

Wo = jumlah atom yang tersputter per satuan luas

katoda (atom/cm2)

Untuk laju deposisi (kecepatan pertumbuhan) lapisan tipis pada substrat

adalah:

21

R=t

W ...................................................... (5)

Dimana t adalah lamanya proses deposisi.

2.2.8. Proses Pembentukan Lapisan Tipis TiN pada bahan pahat baja HSS

Proses deposisi dengan teknik sputtering ini menggunakan gas argon. Proses

tumbukan partikel-partikel gas argon dengan permukaan atom target (titanium)

dalam lucutan pijar menggunakan tegangan tinggi DC yang timbul akibat beda

tegangan antara katoda dan anoda. Adanya beda tegangan ini menyebabkan ion-

ion bergerak bebas menuju katoda. Ion-ion positif yang terjadi akibat ionisasi

akan dipercepat oleh medan listrik menuju katoda dan menumbuk dengan energi

yang sangat tinggi dengan diikuti tumbukan berikutnya secara terus-menerus.

Proses tumbukan ini merupakan peristiwa penting yang mengawali proses

pembentukan lapisan tipis dalam permukaan bahan ( Wasa dan Hayakawa, 1992).

Dalam proses deposisi, bahan target ditembak dengan partikel-partikel berat

yang bergerak cepat dalam suatu sistem vakum, sehingga atom-atomnya terlepas

dan terpercik ke berbagai arah yang sebagian akan menuju ke substrat (baja HSS).

Atom yang terlepas dengan energi yang tinggi tersebut selanjutnya menumbuk

permukaan substrat dan menekan atom-atom permukaan menuju tempat interstisi

pada kisi kristal. Atom-atom yang terlepas tersebut akan bergerak masuk kedalam

substrat untuk menempati posisi interstisi /mengisi kekosongan pada batas butir.

Dalam proses pembentukan lapisan tipis terdapat parameter yang

mempengaruhi, antara lain :

22

a. Suhu substrat

Atom-atom suatu bahan tidak bergerak pada suhu 0 KΟ . Pada kondisi

seperti ini atom-atom menduduki keadaan dengan energi terendah dan

setiap atom menempati kedudukan kisi dalam susunan geometri yang

teratur. Setiap kedudukan kisi identik dan tidak terdapat getaran termal

dalam atom. Bila suhu dinaikkan, maka energinya akan meningkat,

sehingga akan menyebabkan atom-atom bergetar dan menimbulkan jarak

antar atom yang lebih besar.

Jarak antar atom yang lebih besar akan memungkinkan atom-atom

yang memiliki energi tinggi atau berada diatas energi ikatannya, sehingga

atom-atom akan bergerak mendobrak ikatannya dan melompat keposisi

yang baru dan akan mengakibatkan jumlah kekosongan meningkat dengan

cepat secara eksponensial. Cuplikan yang bersuhu tinggi akan

memungkinkan atom-atom asing menyusup lebih dalam diantara celah-

celah atom atau menempati kekosongan yang ada. Hal ini akan

menyebabkan atom-atom asing terikat dan semakin kuat menempel pada

bahan, sehingga lapisan yang terbentuk akan memiliki karakterisasi yang

baik (Van Vlack, 1991).

b. Waktu deposisi

Lama waktu pendeposisian akan berpengaruh terhadap ketebalan

lapisan tipis yang dihasilkan. Semakin lama waktu pendeposisian, maka

23

semakin banyak atom-atom bahan target yang terdeposit menempati posisi

interstisi/ kekosongan pada batas butir dalam substrat sehingga kerapatan

bahan disekitar permukaan akan meningkat dan dapat menghasilkan

lapisan tipis yang maksimum.

Kondisi ini juga dipengaruhi oleh daerah interstisi/ kekosongan yang

disediakan oleh substrat akibat naiknya temperatur. Setelah terbentuknya

lapisan tipis, akan terjadi saling difusi antar atom-atom yang

mengendalikan struktur dari lapisan tipis, sehingga permukaan lapisan

tipis menjadi lebih halus dan proses rekristalisasi berkembang kemudian

akan terbentuk polikristal-polikristal dengan orientasi yang acak

(Konuma, 1992)

c. Aliran gas

Pada teknik sputtering gas yang dialirkan kedalam tabung ada dua

macam gas, antara lain: Gas yang menumbuk permukaan target yang

disebut sebagai gas sputter dan gas yang melapisi permukaan substrat

yang disebut sebagai gas reaktif. Gas sputter biasanya digunakan gas

mulia seperti : Kripton (Kr), Xenon (Xe) dan Argon (Ar). Gas reaktif

biasanya digunakan gas oksigen dan nitrogen. Pengaruh aliran gas

terhadap hasil sputter ialah semakin banyak gas sputter yang masuk

kedalam tabung reaktor maka semakin besar atom-atom target yang

terlempar dan terdeposisi ke substrat sedangkan semakin besar laju aliran

24

gas reaktif maka semakin kecil jumlah atom-atom yang terdeposisi ke

substrat.

2.2.9. Titanium Nitride

Titanium disini berfungsi sebagai target yang akan digunakan untuk deposisi

lapisan tipis. Titanium mula-mula dihasilkan dari bijih yang menghasilkan

titanium dan gas Cl2 yang dipanaskan pada suhu tinggi sehingga menghasilkan

TiCl4. TiCl4 tersebut kemudian direduksi oleh Mg dan menghasilkan titanium

spons, kemudian dicairkan ditanur busur listrik didalam vakum dengan

lingkungan gas mulia untuk membuat titanium ingot. Selanjutnya ingot ditempa

pada temperatur (800-1000) Cο dan diroll pada suhu (700-800) Cο , kemudian

dibuat menjadi suatu bahan yang akan dikerjakan selanjutnya.

Titanium mempunyai titik cair tinggi yaitu 1668 Cο , dengan titik transformasi

pada suhu 882 Cο dari α Ti (hcp)↔ β Ti (Bcc), ada pada temperatur rendah.

Berat jenis titanium sebesar 4,54 gr/ cm3 dan mempunyai ketahanan korosi yang

sangat baik, hampir serupa dengan ketahanan korosi baja tahan karat. Titanium

sendiri merupakan suatu logam yang aktif, tetapi titanium membentuk pelindung

halus pada permukaannya yang mencegah berlanjutnya korosi kedalam. Jika

dipanaskan diudara, akan terjadi lapisan kulit TiO, TiO2 dan Ti2O, sedang

hidrogen yang terbentuk dari uap air diudara akan diserap oleh titanium.

Selanjutnya O2 dan N2 juga diserap oleh titanium sehingga menyebabkan titanium

keras. Oleh karena itu jika Titanium murni sebagai target berikatan dengan gas

25

reaktif nitrogen akan membentuk ikatan TiN (Titanium Nitride) yang memiliki

sifat-sifat istimewa antara lain : memiliki kekerasan yang cukup tinggi, tahan

korosi, tahan terhadap temperatur tinggi, tahan aus, akan nampak berwarna

keemasan dan memiliki daya ikat yang baik antara pelapis dan bahan yang akan

dilapisi. Dengan demikian sesuai dengan sifat-sifat tersebut, maka ikatan titanium

nitride sangat baik untuk membuat lapisan tipis diatas permukaan pahat baja HSS.

2.2.10. Uji kekerasan

Untuk mengukur kekerasan pada lapisan tipis hasil deposisi dengan sputtering

maka pengujian dilakukan dengan alat uji Knoop. Pengujian kekerasan Knoop

adalah pengujian dengan penumbuk Knoop, dimana indentor (penumbuk)

berbentuk piramida yang terbuat dari intan yang dapat menghasilkan lekukan/

bekas injakan pada benda uji dengan bekas injakan berbentuk belah ketupat

dengan perbandingan diagonal panjang dan pendek adalah 7:1. Angka kekerasan

Knoop (KHN) adalah :

2

23,14d

fKHN = .......................................... (6)

dengan ;

f = besarnya beban penekanan, beban yang digunakan 10gf

d = diameter bekas injakan, dalam mikrometer ( )μ

Bentuk penumbuk Knoop yang khusus, memberikan kemungkinan membuat

lekukan yang lebih rapat dibandingkan lekukan vickers. Sehingga sangat

26

menguntungkan digunakan untuk mengukur kekerasan lapisan tipis hasil

sputtering.

2.2.11. SEM (Scanning Electron Microscopy) dan EDS (Energy Dispersive

Spectroscopy)

Apabila berkas elektron mengenai spesimen padat, maka akan terjadi

beberapa interaksi yang dapat memberikan keterangan struktur bahan tersebut.

Sebagian berkas elektron yang jatuh dihamburkan kembali dan sebagian lagi

menembus spesimen. Bila spesimen cukup tipis, sebagian besar elektron

ditransmisikan dan beberapa elektron dihamburkan secara elastis tanpa

kehilangan energi, sementara sebagian lagi dihamburkan secara tidak elastis.

Interaksi dengan atom dalam spesimen menghasilkan pelepasan elektron energi

rendah, foton sinar X dan elektron auger, yang semuanya dapat digunakan untuk

mengkarakterisasi bahan ( Smallman, 1999)

Untuk dapat memperoleh bentuk morfologi lapisan tipis pada bahan dapat

menggunakan SEM (Scanning Electron Microscopy), yaitu mikroskop yang

bekerjanya menggunakan berkas elektron untuk mendeteksi sasaran yang pada

hakekatnya merupakan pemeriksaan dan analisis permukaan. Gambar permukaan

yang diperoleh merupakan gambar topografi dengan gejala tonjolan dan lekuk

permukaan. Prinsip kerja dari perangkat SEM adalah menggunakan sinar yang

dihasilkan oleh elektron sekunder dan atom elektron terpantul akibat interaksi

elektron yang berasal dari filamen dengan elektron pada objek atau target.

27

Dengan cara berkas elektron yang dihasilkan oleh filamen diarahkan dari satu

titik ke titik yang lain pada objek. Gerakan berkas elektron dari satu titik ketitik

yang lain pada daerah objek seperti gerakan membaca, yang sering disebut

scanning. Gerakan scanning ditimbulkan oleh scanning coil sedangkan pantulan

dideteksi oleh fotomultiplier. (Sayono, 2000). Data-data sinyal tersebut yang

berasal dari suatu titik sampel ke titik yang lain diperkuat oleh video amplifier

dan selanjutnya setelah disinkronkan oleh scanning sirkuit digambarkan pada

layar CRT / Cathode Ray Tube. (Mardjono,1996)

Untuk mengetahui kandungan berbagai unsur kimia dalam lapisan tipis dapat

diamati dengan menangkap dan mengolah sinyal fluoresensi sinar X yang

dikeluarkan oleh suatu volume kecil dipermukaan lapisan tersebut. Teknik yang

dipakai dapat berupa EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) atau WDS

(Wavelength Dispersive Spectroscopy). Data yang diperoleh berupa spektrum

yang menunjukkan hubungan antara energi dan intensitas. Spektrum ini

dihasilkan dari penembakan berkas elektron pada target. Berkas elektron tersebut

akan menyebabkan eksitasi ke keadaan ground state. Energi yang dilepaskan

antara lain berupa sinar X. Setiap atom memiliki tingkat energi tertentu untuk

masing-masing orbit elektronnya, sehingga energi sinar-X yang dilepaskan juga

mempunyai nilai tertentu (karakteristik). Energi karakteristik sinar X inilah yang

menunjukkan komposisi kimia yang terkandung didalam lapisan tipis. Prinsip

kerja analisis unsur dengan menggunakan EDS (Energi Dispersive Spectroscopy)

28

adalah mendeteksi pendaran sinar X yang dipancarkan oleh unsur atom bahan

sasaran. Pendaran sinar X timbul sebagai akibat interaksi berkas elektron energi

tinggi dengan elektron-elektron dari atom sasaran, sehingga elektron tersebut

tereksitasi yaitu terlemparnya elektron dari orbit awal ke orbit yang energinya

lebih rendah sambil memancarkan energi yang diserap dalam bentuk sinar X. Dari

energi sinar X yang dipancarkan dapat diketahui jenis atom/ unsur yang

terkandung dalam bahan sasaran (Walla and Whilley, 1973)

29

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Diagram Alir Penelitian

Gambar 3.1: Diagram Alir Penelitian

Preparasi Sampel

Persiapan Bahan

Sputter TiN pada HSS HSS mula-mula

Mulai

1. Waktu deposisi (30, 60, 90, 120) menit

2. Suhu (150,200,250,300)˚C

3. Aliran N2(6,7,8)sccm

Sputter t, T, optimal

Uji kekerasan knoop

SEM

EDS

Selesai

Nilai kekerasan mula-mula

1. Nilai kekerasan t, T optimal 2. Nilai kekerasan t, T, N2 optimal

1 & 21 & 2

2

1

3

1

3

2

30

3.2 Persiapan Bahan dan Peralatan Penelitian

3.2.1 Bahan-bahan yang digunakan didalam penelitian, antara lain :

a. Pahat Bubut Baja HSS

Gambar 3.2 : Pahat Bubut Baja HSS

Pada Gambar 3.2 bahan yang digunakan adalah pahat bubut baja HSS

dengan ukuran (9,525 x 9,525 x 99) mm3. Baja HSS ini dibeli dipasaran

tanpa sertifikasi. Sampel baja HSS ini yang nantinya sebagai substrat pada

mesin sputtering dc, namun sebelumnya dilakukan preparasi sampel

terlebih dahulu sebelum diletakkan pada mesin sputtering.

b. Titanium Murni

Titanium yang digunakan merupakan titanium murni berbentuk pelat

sebagai target dengan diameter 60 mm dan tebal 3 mm, sudah tersedia di

Laboratorium Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan (PTAPB)-

BATAN, Yogyakarta.

31

c. Gas Nitrogen dan Gas Argon

Gas nitrogen sebagai gas reaktif dan gas argon sebagai gas sputter

yang tersedia di Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan (PTAPB)-

BATAN, Yogyakarta.

d. Kertas Gosok

Kertas gosok yang digunakan dengan grit size 600 sampai dengan

2000, untuk menghaluskan permukaan spesimen.

e. Autosol metal polish

Autosol metal polish digunakan untuk memoles spesimen yang akan

diuji kekerasan mikro dan di-sputtering.

3.2.2 Alat-alat yang digunakan dalam penelitian, antara lain :

a. Alat sputtering DC

Alat sputtering dc telah tersedia di laboratorium PTAPB-BATAN,

Yogyakarta yang ditunjukkan pada Gambar 3.3.

Gambar 3.3 : Alat Sputtering DC

32

b. Microhardness Tester Knoop

Alat ini digunakan untuk menguji kekerasan mikro lapisan tipis TiN

pada substrat baja HSS. Alat uji kekerasan ini menggunakan alat uji

kekerasan knoop yang tersedia di Laboratorium Bahan Teknik Jurusan

Teknik Mesin, Fakultas Teknik UGM yang ditunjukkan pada Gambar 3.4

Gambar 3.4 : Microhardness Tester Knoop (KHN)

c. Electric Discharge Machine (EDM)

Gambar 3.5 : Alat Electric Discharge Machine (EDM)

Pada Gambar 3.5 digunakan untuk memotong pahat baja HSS menjadi

sampel pahat sebelum disputtering. Alat ini tersedia di Laboratorium

Proses Permesinan Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik UNY.

33

d. Ultrasonic Cleaner

Alat ini digunakan untuk membersihkan spesimen / sampel yang akan

disputtering. Alat ini tersedia di Laboratorium PTAPB-BATAN,

Yogyakarta.

e. Oven

Alat ini digunakan untuk menguapkan zat-zat kimia yang terkandung

didalam sampel setelah diultrasonic cleaner . Oven yang digunakan

dengan merk Heraeus telah tersedia di PTAPB-BATAN, Yogyakarta.

f. Scanning Electron Microscopy (SEM) & Energy Dispersive Spectroscopy

(EDS)

Alat SEM ini digunakan untuk mengamati morfologi permukaan

sruktur mikro bahan dan EDS digunakan untuk mengetahui komposisi

unsur-unsur kimia bahan serta tebal deposisi lapisan bahan. Alat ini

tersedia di Laboratorium Geologi Kuarter (P3GL) Bandung. Alat SEM

dan EDS ini ditunjukkan pada Gambar 3.6

Gambar 3.6 : Alat Uji SEM dan EDS

34

3.3 Preparasi Sampel

Gambar 3.7 : Potongan sampel pahat bubut baja HSS

Baja HSS yang dibeli dipasaran memiliki ukuran (9,525 x 9,525 x 99) mm3

kemudian dipotong-potong dengan ukuran (9,525 x 9,525 x 3) mm3 agar sesuai

dengan chuck / pemegang pada substrat seperti yang ditunjukkan pada Gambar

3.7. Bahan baja HSS adalah logam yang sangat keras, maka untuk dapat

memotongnya digunakan EDM (Electric Discharge Machine) yang ada di

Laboratorium Proses Permesinan Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik UNY.

Gambar 3.8 : Proses Pemotongan pahat baja HSS dengan EDM

Pada Gambar 3.8 menunjukkan cara kerja mesin EDM didalam pemotongan

pahat baja HSS dengan ketebalan 3 mm. Cara kerja alat ini sangat sederhana,

pahat baja yang masih berupa batangan (pahat standar) diletakkan pada chuck

35

atau pemegang yang menjepit kedua sisinya. Tuas pemotong dari alat EDM

berupa lempengan / plat timbal yang diletakkan pada penjepit atas yang dapat

bergerak naik turun sesuai arah sumbu x, y dan z. Tuas pemotong ini dapat

dijalankan dengan menekan tombol otomatis yang berada disamping alat dan

memasukkan koordinat pemotongan. Bahan pahat yang akan dipotong direndam

dengan media berupa minyak tanah yang disemprotkan melalui selang. Hal ini

dilakukan untuk mempertahankan suhu pada saat pemotongan, sehingga suhu

pada saat pemotongan tidak tinggi sesuai suhu ruangan sebesar 27 Cο . Hanya

pada saat pertama alat ini melakukan pemotongan, suhu yang terjadi sangat tinggi

sekitar 1000 Cο , kemudian suhu menjadi menurun sampai pada suhu ruangan.

Suhu pemotongan bisa menurun karena pada saat proses pemotongan pada ujung

pemotong dari alat EDM ditembak dengan minyak tanah yang keluar melalui

ujung selang dan berfungsi sebagai media pendingin, selain sebagai media

pendingin fungsi minyak tanah juga sebagai isolator terhadap aliran listrik,

sehingga pada saat operator menjalankan alat ini tidak mengalami kecelakaan

kerja. Proses EDM merupakan proses pengambilan materi dengan proses erosi

akibat lucutan bunga api listrik karena adanya beda potensial. Agar dapat bekerja

secara optimal pada proses sputtering, maka spesimen/ benda uji harus

dipersiapkan dengan baik, antara lain :

36

a. Diamplas

Gambar 3.9 : Spesimen pahat baja HSS hasil pemotongan dengan EDM

Pada Gambar 3.9 menunjukkan hasil pemotongan pahat baja HSS

dengan alat EDM, dimana permukaan pahat masih tidak rata atau

kasar dan untuk meratakan permukaannya dengan menggunakan

kertas gosok mulai dari grit size 600 sampai 2000. Proses

pengampelasan permukaan pahat baja HSS membutuhkan waktu yang

lama. Hal ini disebabkan sifat baja yang keras, sehingga untuk

meratakan permukaan satu spesimen pahat baja HSS dibutuhkan

waktu 6 jam lamanya. Hasil yang akan diperoleh dari proses

pengamplasan adalah permukaan pahat yang rata dan halus.

37

b. Dipolish

Gambar 3.10 : Spesimen pahat baja HSS yang dipolish

Permukaan spesimen pahat baja HSS setelah selesai diratakan

dengan kertas gosok, selanjutnya dilakukan pemolishan dengan

menggunakan autosol metal polish yang digosokkan permukaannya

pada kain bludru atau kain perca. Menggosokkan permukaan pahat

baja HSS ini harus searah, hal ini dilakukan untuk menghilangkan

goresan akibat bekas ampelas, sehingga permukaan dari spesimen

pahat kelihatan halus dan mengkilat seperti yang ditunjukkan pada

Gambar 3.10.

c. Diultrasonic cleaner

Sebelum dimasukkan ke dalam mesin sputtering, spesimen pahat

baja HSS dibersihkan terlebih dahulu dengan alat yang disebut

ultrasonic cleaner. Tujuan pembersihan dengan ultrasonic cleaner ini

adalah untuk membersihkan kotoran-kotoran dari zat-zat kimia yang

menempel pada spesimen pahat baja HSS. Prosesnya sangat

sederhana, spesimen tadi dimasukkan dalam beker glass kemudian

38

diberi larutan alkohol 90% dan spesimen pahat direndam didalam

beker glass kemudian diletakkan pada mesin ultrasonic cleaner. Proses

ini berlangsung sangat lama kurang lebih 1 jam lamanya dengan

ditandai keruhnya alkohol. Proses ini dilakukan sebanyak 2 kali.

d. Dioven

Spesimen pahat baja HSS yang telah selesai proses ultrasonic

cleaner tersebut masih belum benar-benar bersih karena masih

mengandung alkohol. Untuk itu spesimen pahat tadi diambil dari beker

glass dengan menggunakan pinset/ penjepit dan dikeringkan dengan

menggunakan hair dryer. Spesimen pahat tadi telah kering, kemudian

dipanaskan dengan oven pada suhu 150 Cο selama 1 jam lamanya

39

3.4 Pelaksanaan sputtering TiN pada pahat baja HSS

Gambar 3.11 : Skema alat sputtering DC

Sampel pahat baja HSS diletakkan pada anode (kutub Positif) sebagai substrat

dan pelat titanium murni diletakkan pada katode (kutub negatif) sebagai target

didalam suatu ruangan/ tabung, kemudian tabung/ ruangan tempat kedua bahan

tadi divakumkan dengan tekanan mencapai 10-5 torr. Gas argon sebagai gas

sputter dialirkan kedalam tabung reaktor dan selanjutnya dialirkan gas nitrogen

sebagai gas reaktif. Pada tabung yang telah divakumkan memiliki tekanan rendah

dipasang beda tegangan yang menghasilkan arus listrik, arus ini yang akan

mengionisasi gas yang ada didalam tabung, sehingga menghasilkan muatan

40

positif dan negatif yang seimbang. Kondisi ini disebut sebagai plasma. Adanya

beda potensial pada kedua elektrode menimbulkan medan listrik yang akan

mempengaruhi ion-ion gas sputter untuk dapat bergerak menumbuk ke target.

Tumbukan yang terjadi pada permukaan target berlangsung terus-menerus dan

terjadi sangat cepat, sehingga terjadi transfer momentum. Atom- atom titanium

yang terlempar keluar akan berikatan dengan nitrogen membentuk ikatan TiN

(Titanium nitride) yang bergerak menuju permukaan substrat. Prinsip inilah yang

mendasari pemanfaatan plasma sputtering untuk mendeposisikan lapisan tipis

pada permukaan bahan.

3.5 Karakterisasi

Karakterisasi hasil sputtering spesimen pahat baja HSS, antara lain :

a. Pengujian kekerasan knoop (KHN)

Karakterisasi uji kekerasan hasil lapisan tipis TiN pada spesimen pahat

baja HSS dilakukan dengan Knop. Pengujian kekerasan diamati mulai dari

sampel pahat mula-mula sampai pada sampel spesimen pahat baja HSS

hasil proses sputtering dengan beberapa parameter, antara lain : variasi

suhu, variasi waktu deposisi, dan variasi aliran gas nitrogen.Untuk setiap

spesimen dilakukan pengujian kekerasan sebanyak 3 kali dengan beban

penekanan sebesar 10 g. Dari pengujian kekerasan ini diperoleh nilai

kekerasan masing-masing spesimen pahat baja HSS hasil sputtering. Nilai

kekerasan spesimen pahat baja HSS dari masing-masing parameter

41

sputtering diperoleh hasil nilai kekerasan pahat baja HSS yang paling

tinggi atau optimum kemudian dilakukan analisis data dan pembahasan.

b. Scanning Electron Microscopy (SEM)

Setelah spesimen pahat baja HSS dilakukan karakterisasi kekerasan,

maka selanjutnya spesimen pahat baja HSS ini dilakukan karakterisasi

struktur mikro dengan alat SEM di laboratorium P3GL Bandung. Hasil

karakterisasi dengan SEM berupa foto yaitu untuk menentukan morfologi

permukaan baik untuk spesimen pahat baja HSS mula-mula maupun

spesimen pahat baja HSS yang telah disputtering, kemudian dari hasil ini

dilakukan analisisnya. Untuk spesimen pahat baja HSS yang dilakukan uji

SEM berjumlah 3 sampel, diambil sampel penampang muka pahat baja

HSS mula-mula dan sampel pahat baja HSS hasil sputtering, yang

memiliki karakterisasi kekerasan paling tinggi. Sampel pahat baja HSS

hasil sputtering yang memiliki kekerasan paling tinggi ini dibagi menjadi

dua bagian dengan alat EDM untuk menentukan panampang muka dan

penampang lintang.

c. Energy Dispersive Spectroscopy (EDS)

Hasil dari karakterisasi SEM berupa foto, sedangkan karakterisasi

dengan EDS berupa spektrum untuk memperoleh komposisi unsur-unsur

kimia pada spesimen pahat baja HSS. Karakterisasi spesimen pahat baja

HSS dengan EDS juga dilakukan pada spesimen pahat baja HSS standar

42

dan spesimen pahat baja HSS yang telah disputtering dengan parameter

sputtering yang optimal. Pada kondisi spesimen pahat baja HSS hasil

sputtering dengan kondisi yang optimal juga diambil spektrum pada

penampang muka dan penampang lintang untuk memperoleh ketebalan

lapisan.

43

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Hasil Uji Kekerasan

Proses lapisan tipis TiN pada bahan baja HSS telah dilakukan variasi

suhu, waktu deposisi, dan aliran gas nitrogen dengan teknologi sputtering

diharapkan diperoleh hasil yang optimal. Pada awalnya proses sputtering

dilakukan variasi suhu mulai dari suhu 150˚C, 200˚C, 250˚C, dan 300˚C

sedangkan untuk waktu deposisi mulai dari 30 menit, 60 menit, 90 menit dan

120 menit, aliran gas nitrogen dari 5 sccm, 6 sccm, 7 sccm, 8 sccm. Hasil dari

proses sputtering dengan variasi suhu dan waktu deposisi diatas, kemudian

dilakukan pengujian kekerasan yang dilakukan di Laboratorium Bahan Teknik

Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik UGM dengan setiap spesimen

dilakukan pengujian sebanyak 3 kali, penekanan dengan beban sebesar 10 g.

Dari hasil pengujian semua spesimen, maka diperoleh spesimen dengan nilai

kekerasan optimal pada kondisi parameter sputtering yaitu pada suhu 250˚C,

waktu deposisi selama 90 menit dan aliran gas nitrogen 5 sccm. Hasil nilai

kekerasan dengan knoop untuk variasi suhu, waktu deposisi dan aliran gas

nitrogen ditunjukkan pada Tabel 4.1

44

Tabel 4.1 Hasil uji kekerasan dengan variasi suhu dan waktu deposisi.

Suhu

(˚C)

Waktu

deposisi

(menit)

Pengujian

ke-I

)( mμ

Pengujian

ke- II

)( mμ

Pengujian

ke-III

)( mμ

KHN1

(KHN)

KHN2

(KHN)

KHN3

(KHN)

Rata-

rata

(KHN)

150˚C

30 15,1 14,9 12,7 624 640,9 882,1 715,66

60 17,8 17,5 17,2 449 464,6 480,9 464,76

90 13,8 14,3 14 747,1 695,8 725,9 722,93

120 19,0 18,6 20,6 394,1 411,2 335 380,1

200˚C

30 18,7 16,8 21,6 406,9 504,1 304,9 405,3

60 12,1 13,6 11,1 971,8 769,3 1175,9 972,33

90 9,9 14,7 9,2 1451,7 658,4 1681,1 1263,73

120 14,4 20,2 15,5 686,1 348,7 592,2 542,33

250˚C

30 20,6 26,0 23,9 335,3 210,4 249,1 264,93

60 21 24,9 23,6 322,6 229,4 255,4 269,13

90 8,0 8,6 7,7 2223,2 1923,8 2399,8 2182,26

120 14,5 13,6 15,5 676,7 769,3 592,2 679,4

300˚C

30 20,6 20,6 23,8 335,3 335,3 251,2 307,26

60 17,4 15,2 19,9 469,9 615,8 359,3 481,66

90 20,9 17,6 17,6 325,7 459,3 459,3 414,76

120 24,7 28,9 26,3 233,2 170,3 205,7 203,06

45

Dari Tabel 4.1 dapat dibuat gambar grafik kekerasan terhadap waktu

deposisi pada variasi suhu (150, 200, 250, 300) ˚C yang ditunjukkan pada

Gambar 4.1 dibawah ini.

0

500

1000

1500

2000

2500

0 30 60 90 120 150

Waktu deposisi (menit)

Kek

eras

an (K

g/m

m2 )

suhu 150˚Csuhu 200˚Csuhu 250˚Csuhu 300˚C

Gambar 4.1 Grafik kekerasan terhadap waktu deposisi pada variasi suhu (150, 200, 250, 300) ˚C pada aliran gas nitrogen 5 sccm

Pada Gambar 4.1 menunjukkan pada suhu 250˚C dan waktu deposisi 90

menit diperoleh nilai kekerasan knoop paling tinggi, yaitu 2182,26 Kg/mm2

yang merupakan kondisi parameter sputtering optimal. Pada Gambar 4.1

semakin tinggi waktu deposisi, maka tampak adanya kenaikan nilai kekerasan

hal ini disebabkan waktu untuk menumbuk permukaan target (titanium) juga

lebih lama dan intensitas tumbukan yang terjadi lebih banyak sehingga atom-

atom TiN yang terlempar keluar juga lebih banyak sehingga jumlah atom-

atom yang terdeposisi ke permukaan target lebih banyak juga sehingga lapisan

yang terjadi lebih homogen. Hal ini juga dipengaruhi dengan adanya kenaikan

46

suhu semakin tinggi, maka nilai kekerasan juga naik. Suhu yang tinggi pada

substrat membuat substrat (baja HSS) memuai yang mengakibatkan atom-

atom HSS berjauhan letak susunan atomnya dan terdapat ruang untuk diisi

oleh atom-atom dari target yang maikn lama mengisi kekosongan semakin

banyak sehingga lapisan yang terjadi semakin rata atau homogen yang

mengakibatkan lapisan lebih tebal. Fenomena sputtering terjadi sampai pada

kondisi suhu 250˚C dan waktu deposisi 90 menit, namun pada suhu 300˚C

dan waktu deposisi 120 menit kekerasan mengalami penurunan. Kondisi ini

dapat dijelaskan bahwa pada kondisi ini suhu substrat yang semakin tinggi

mencapai 300˚C menyebabkan substrat memuai yang menjadikan ikatan antar

atom-atom pada substrat semakin longgar dan ruang kosong semakin besar

sehingga atom-atom yang terdeposisi berebutan untuk mengisi kekosongan

dan ada sebagian atom-atom target tidak memperoleh tempat yang

menghasilkan lapisan yang tipis dan tidak homogen. Pada saat pengujian

kekerasan pada suhu 300˚C, waktu deposisi 120 menit dan aliran gas reaktif

nitrogen sebesar 5sccm diperoleh kekerasan baja HSS sebesar 203,26 Kg/mm2

mengalami penurunan kekerasan dari kekerasan pahat baja HSS mula-mula

sebesar 819 kg/mm2.

47

Tabel 4.2 Hubungan nilai kekerasan dengan aliran gas nitrogen

Aliran gas nitrogen (sccm) Kekerasan (Kg/mm2)

5 2182,26

6 247

7 265

8 394

Pada Tabel 4.2 menunjukkan hubungan nilai kekerasan dengan aliran gas

reaktif nitrogen, dimana semakin banyak aliran gas reaktif nitrogen kekerasan

yang terjadi mengalami penurunan. Pada Tabel 4.2 dapat dibuat Gambar

grafiknya yang ditunjukkan pada Gambar 4.2

0400800

12001600200024002800

4 5 6 7 8 9

Kekerasan

Alir

an g

as N

itrog

en( s

ccm

)

Gambar 4.2 Grafik hubungan kekerasan vs aliran gasreaktif nitrogen

Pada Gambar 4.2 ditunjukkan bahwa semakin banyak aliran gas reaktif

nitrogen yang masuk ke dalam tabung reaktor maka nilai kekerasannya

semakin menurun, hal ini disebabkan kondisi tabung reaktor semakin penuh

dengan aliran gas nitrogen dan yang terjadi gas sputter yaitu argon semakin

48

menurun sehingga atom argon yang menumbuk ke permukaan target juga

semakin sedikit yang mengakibatkan atom-atom target yang terlempar atau

terpercik keluar juga semakin sedikit yang mengakibatkan deposisi lapisan

juga semakin tipis sehingga nilai kekerasan yang terjadi semakin menurun.

4.2 Hasil Uji Scanning Electron Microscopy (SEM) & Energy Dispersive

Spectroscopy (EDS)

Untuk mengetahui morfologi permukaan spesimen pahat baja HSS dan

komposisi unsur kimia spesimen pahat baja HSS hasil sputtering dapat

dilakukan proses pengujian Scanning Electron Microscopy (SEM) & Energy

Dispersive Spectroscopy (EDS), dengan pengujian ini dapat diketahui

morfologi permukaan spesimen pahat baja HSS sebelum di sputtering dan

sesudah di sputtering serta dapat diketahui adanya penambahan unsur-unsur

kimia pada spesimen pahat baja HSS setelah proses sputtering.

Gambar 4.3 Hasil SEM permukaan HSS mula-mula (Perbesaran 500 x)

49

Pada Gambar 4.3 tampak bahwa morfologi permukaan baja HSS mula-

mula masih belum adanya pelapisan. Permukaan masih rata dan halus. Untuk

memastikan unsur-unsur yang terdapat dipermukaan dilakukan EDS. Pada

Gambar 4.5 dapat diketahui komposisi unsur-unsur yang terdapat pada baja

HSS mula-mula, antara lain 7,52% C; 1,08% V; 5,16% Cr; 86,23% Fe.

Pada Gambar 4.4 permukaan baja HSS yang dideposisikan TiN tampak

adanya lapisan pada permukaan spesimen pahat baja HSS. Permukaan tampak

tidak rata dan terlihat ada gumpalan besar terdapat di permukaannya.

gumpalan besar tersebut merupakan TiN yang terdeposisi pada spesimen

pahat baja HSS. Untuk dapat melihat morfologi permukaan dilakukan uji

SEM pada Gambar 4.4

Gambar 4.4 Hasil SEM permukaan HSS yang disputtering pada suhu 250˚C, waktu deposisi 90 menit dan aliran gas reaktif nitrogen 5 sccm

50

Gambar 4.5 Hasil EDS dari pahat baja HSS mula-mula

Untuk memastikan adanya penambahan unsur-unsur pada

permukaan baja HSS dilakukan EDS. Hasil proses EDS baja yang

terdeposisi TiN pada penampang muka baja HSS dapat dilihat pada

Gambar 4.6. Pada Gambar 4.6 menunjukkan adanya penambahan unsur

yaitu berupa nitrogen, titanium dan oksigen. Hal ini menunjukkan proses

sputtering TiN pada substrat spesimen baja HSS menunjukkan hasil

dengan adanya penambahan unsur-unsur kimia yang baru jika

dibandingkan dengan hasil EDS spesimen baja HSS mula-mula. Untuk

unsur oksigen merupakan penambahan akibat udara luar setelah

spesimen dikeluarkan dari proses sputtering. Namun disini yang

terpenting adalah adanya penambahan unsur titanium dan nitrogen

dalam bentuk ikatan titanium nitride (TiN) yang pada substrat akan

nampak berwarna kuning keemasan. Hal ini yang menyebabkan sifat

51

keras pada spesimen pahat baja HSS. Penambahan unsur titanium dan

nitrogen pada permukaan spesimen pahat baja HSS dapat diketahui

melalui pengujian EDS pada Gambar 4.6. Untuk mengetahui morfologi

permukaan spesimen pahat baja HSS yang terdeposisi TiN pada suhu

250˚C, waktu deposisi 90 menit dan aliran gas reaktif nitrogen sebesar 5

sccm pada penampang lintang dapat dilihat pada Gambar 4.7, dimana

pada pengujian SEM preparasi sampel kurang maksimal. Pada kondisi

ini unsur-unsur kimia dari titanium nitride menyebar merata pada bagian

penampang lintang sehingga tidak dapat dibedakan bagian base metal

benda. Hal ini dapat dilihat dengan jelas pada Gambar 4.8 hasil

pengujian EDS dimana bagian terdalam spesimen yang seharusnya

merupakan base metal benda telah terdeposisi oleh ikatan titanium

nitride sehingga ketebalan lapisan tidak dapat diukur dengan akurat.

Kurangnya persiapan pengujian SEM ini dikarenakan persiapan bahan

spesimen pahat baja HSS untuk dibuat sampel uji SEM sangatlah sulit,

dimana harus memotong permukaan spesimen pahat baja HSS menjadi 2

bagian tanpa harus merusak lapisan. Untuk itu dilakukan rekayasa

dengan memotong pahat terlebih dahulu sebelum disputtering, sehingga

pada saat proses sputtering atom-atom titanium dan nitrogen masuk

kedalam spesimen panampang lintang pahat baja HSS melalui sela-sela

potongan.

52

Gambar 4.6 Hasil EDS permukaan spesimen pahat baja HSS pada suhu 250˚C, waktu deposisi 90 menit aliaran gas nitrogen 5 sccm

Gambar 4.7 Hasil Uji SEM baja HSS pada penampang lintang pada suhu 250˚C, waktu deposisi 90 menit dan aliran gas reaktif nitrogen 5 sccm

53

Gambar 4.8 Hasil EDS penampang lintang baja HSS pada suhu

250˚C, waktu deposisi 90 menit dan aliran gas reaktif nitrogen 5

4.3 Kesulitan-kesulitan penelitian

Didalam penelitian sputtering pahat potong baja HSS dengan TiN

mengalami berbagai kendala antara lain :

a. Persiapan spesimen/ benda uji

Untuk membuat spesimen uji sputtering, maka pahat baja HSS

dipotong dengan ketebalan 3 mm. Pemotongan ini hanya bisa

dilakukan dengan mesin EDM. Hal ini disebabkan sifat baja HSS yang

sangat keras dan ulet. Pemotongan pahat baja HSS untuk satu

spesimennya membutuhkan waktu 1 jam lamanya dan biaya yang

sangat mahal. Mesin EDM di Yogyakarta ini hanya ada di Universitas

54

Negeri Yogyakarta (UNY). Kendala selanjutnya pada persiapan

spesimen untuk disputtering adalah diratakan permukaannya dengan

diamplas menggunakan kertas gosok, dimana membutuhkan waktu 6

jam lamanya untuk satu buah spesimen.

b. Pengaturan aliran gas nitrogen

Pengaturan aliran gas nitrogen ini masih bersifat manual dan

dalam pengaturannya untuk mendapatkan nilai yang tepat masih

kurang atau sulit dilakukan.

c. Pengujian kekerasan

Pada pengujian kekerasan dengan Knoop sulit dilakukan untuk

menentukan bekas injakan pada permukaan spesimen uji, dikarenakan

bekas injakan yang sangat kecil dengan beban sebesar 10 g. Struktur

logam yang tidak rata jika diamati dengan mikroskop terkadang

membuat kurang telitinya penentuan bekas injakan bila dibandingkan

dengan adanya rongga-rongga pada spesimen yang merupakan

struktur logam baja HSS yang tidak homogen. Hal ini membutuhkan

ketelitian pengamatan.

d. Persiapan spesimen untuk uji SEM & EDS

Pada persiapan spesimen uji SEM dan EDS ini juga mengalami

kendala didalam pemotongan penampang lintang pahat baja HSS

55

dengan kondisi yang terdeposisi TiN dan lapisan ini sangat tipis tanpa

merusaknya.

56

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

Dari proses deposisi lapisan tipis TiN pada substrat pahat baja HSS

dapat disimpulkan bahwa :

1. Pada proses deposisi lapisan tipis TiN kekerasan optimal terjadi

pada kondisi sputtering optimal pada suhu 250˚C, waktu 90 menit

dan laju aliran gas nitrogen 5 sccm. Peningkatan kekerasan sebesar

166% yaitu dari kekerasan awal 819 kg/ mm2 menjadi 2182,82

kg/mm2.

2. Pengujian SEM menunjukkan bahwa pada pahat yang disputter

TiN terdapat adanya lapisan tipis pada permukaan.

3. Hasil pengujian EDS menunjukkan adanya unsur Ti dan N pada

pahat yang disputter.

57

5.2. Saran

Dari penelitian yang telah dilakukan dapat disarankan bahwa :

1. Hasil penelitian ini dapat diteruskan untuk melakukan penelitian

selanjutnya dengan mendeposisikan TiN-AlN, TiN-AlN-TiN atau

AlN-TiN-AlN

2. Untuk proses sputtering dapat ditingkatkan suhunya dan waktu

deposisi lebih lama daripada penelitian sebelumnya

58

DAFTAR PUSTAKA ASM International, 1997, Metals Handbook of Machining, Ninth Edition Vol. 16,

Material Atmono, T.M., 2003, Sputtering Untuk Rekayasa Permukaan Bahan, Diktat kuliah

Workshop, P3TM-BATAN, Yogyakarta Bambang Priambodo., 1992, Teknologi Mekanik, Jilid II, Penerbit Erlangga, Jakarta Budi Setyahandana., 2004, Ilmu Logam , Diktat Kuliah Jurusan Mesin, Universitas

Sanata Dharma, Yogyakarta Gerling., 1974, All About Machine Tools, Wiley Eastern Private Limited, New Delhi,

India Ibrahim, A.G., 2004 Pengaruh Tebal Potong Terhadap Laju Keausan Pahat Bubut HSS

Yang Dilapisi Titanium Nitrida dengan Teknik Sputtering, Tesis, Jurusan Teknik Mesin UGM

Konuma , M., 1992, Film Deposition by Plasma Techniques, Spinger-Verlag, Berlin, Germany

Malau, V., 2003, Perlakuan Permukaan, Diktat Kuliah, Jurusan Teknik Mesin UGM Ostwald, P.F., and Munoz, J., 1997, Manufacturing Processes and Systems, John Wiley

& Sons, Inc., new york, USA Sriati Djaprie., 1993, Teknologi Mekanik, Jilid I, Penerbit Erlangga, Jakarta Suyitno, B.A., 2003, Sputtering Untuk Rekayasa Permukaan Bahan, Diktat Kuliah

Workshop, P3TM-BATAN, Yogyakarta Van Vlack., 1993, Ilmu dan Teknologi Bahan, Edisi V, Penerbit Erlangga, Jakarta Wasa, K., Hayakawa, S., 1992, Handbook Of Sputter Deposition Technology Principles,

Technology and Application, Noyes Publication, New Jersey, USA Yuniarto H.A., Mudjijana, Malau V., Adika., 2003, Pengaruh Deposisi Lapisan Tipis TiN

Pada UJUNG Mata Bor terhadap laju Pengeboran Pada Baja Karbon Rendah, Media Teknik, No 4 Tahun XXV, November, 49-54

59

Lampiran 1

1. Foto pahat baja HSS

2. Foto hasil potongan sampel pahat HSS

3. Foto Mesin EDM

4. Foto alat uji kekerasan knoop

60

Lampiran 1 (lanjutan)

5. Foto alat uji SEM & EDS

6. Foto alat sputtering DC

61

Lampiran 2

1. Hasil SEM & EDS HSS mula-mula

2. Hasil SEM & EDS sputtering pada kondisi optimal

62

Lampiran 2 (lanjutan)

3. Hasil SEM & EDS penampang lintang sputtering pada kondisi optimal

1.pdf2.pdf3.pdf4.pdf5.pdf6.pdf7.pdf8.pdf