Widi, IKomangAstana (2016) Mekanisme Difusi Lapisan Tipis Nitrida Pada Baja. Doctor thesis, Universitas Brawijaya.
Abstract
Ketebalan lapisan nitrida keras ditentukan oleh kemampuan difusi atom nitrogen ke dalam bahan. Kedalaman difusi atom nitrogen pada proses nitridisasi sangat rendah (0,05 ~ 0,8 mm). Tipisnya lapisan nitrida akan menyebabkan terjadinya kegagalan berupa pengelupasan atau pecahnya lapisan nitrida. Hal ini dipengaruhi oleh kemampuan difusi atom N yang rendah sehingga konsentrasi N akan sangat tinggi pada permukaan. Perbedaan konsentrasi N yang tinggi antara lapisan nitrida dan substrat akan mengakibatkan perbedaan konsentrasi tegangan yang tinggi. Hal inilah yang menyebabkan rapuhnya lapisan nitrida yang terbentuk pada proses nitridisasi. Penelitian ini bertujuan untuk mencari metode yang optimal dalam meningkatkan kedalaman difusi atom nitrogen. Metode yang umumnya diterapkan untuk meningkatkan difusifitas tersebut yaitu dengan meningkatkan waktu perlakuan nitridisasi hingga 72 jam. Pada penelitian ini, beberapa parameter proses akan diamati dalam meningkatkan difusi atom nitrogen diantaranya komposisi bahan, karakteristik permukaan bahan dan atmosfir / media proses difusi nitridisasi. Pengaruh dan korelasi ketiga variabel proses tersebut akan memberikan informasi yang lebih pasti perihal fenomena proses difusi yang terjadi selama proses nitridisasi berlangsung sehingga dapat diketahui secara akurat dan presisi. Penggunaan dapur muffle dengan media atmosfir tanpa gas nitrogen dalam proses difusi nitridisasi belum dilakukan oleh peneliti-peneliti sebelumnya dan untuk mempelajari fenomena difusi nitridisasi sangat penting memahami peran lapisan pasif sebagai produk dari peran atmosfir nitridisasi. Penelitian ini juga membandingkan pemanfaatan proses difusi dengan menggunakan dapur fluidized bed dengan media difusi gas nitrogen murni (inert). Pemahaman terhadap komposisi kimia dan karakteristik permukaan akan diketahui dengan memanfaatkan beberapa spesimen diantaranya baja lapis khrom dimana karakteristik permukaan dengan adanya lapisan khrom dan baja tahan karat dengan komposisi khrom 10,8 wt % dan besi (Fe) serta baja perkakas dengan komposisi krom rendah (0,7 wt %) akan memberikan banyak informasi terhadap fenomena kemampuan difusifitas atom nitrogen yang terjadi selama proses difusi nitridisasi gas. Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah material baja perkakas tipe 4140, baja tahan karat dan baja lapis khrom. Karakterisasi struktur distribusi pori yang terbentuk akan diamati dengan pengamatan pengujian SEM pada penampang lintang spesimen. Pengujian komposisi konsentrasi atom N dan nitrida yang terbentuk akan dianalisa dengan pengujian EDAX dan XRD. Fenomena pembentukan porositas ini juga akan dianalisa dengan peninjauan dari reaksi kimia dan thermodinamika yang terjadi. Material spesimen yang dimanfaatkan pada penelitian ini dengan ukuran 2 x 2 x 2 cm. seluruh sampel akan mendapatkan perlakuan pengerasan pada bagian permukaan memanfaatkan gas ammonia dan nitrogen di dalam dapur fluidized bed dengan komposisi laju alir gas 20 : 80 m3/jam. Total aliran gas adalah 0,7 m3/jam (sesuai standarisasi alat fluidised tipe FH12M), dengan waktu perlakuan 4 jam. Setelah perlakuan memasukan atom N ke permukaan bahan akan dilakukan perlakuan tahap kedua yaitu memanfaatkan dapur muffle selama 2 jam. xvi Pengujian distribusi kekerasan juga akan dilakukan pada penelitian ini untuk mengetahui karakteristik kedalaman pengerasan dan kedalaman distribusi konsentrasi atom N kedalam bahan. Hasil foto SEM tampak jelas terbentuk beberapa lapisan pada permukaan spesimen yaitu terdiri dari tiga lapisan (pada atmosfir difusi tanpa gas nitrogen) dan dua lapisan (pada atmosfir difusi nitrogen). Baja lapis khrom pada media difusi nitrogen menunjukkan konsentrasi oksida khrom pada permukaan sebesar 95,31 wt % dengan konsentrasi difusi atom nitrogen meningkat dari 0,25 wt % menjadi 0,83 wt % pada lapisan dibawahnya, sedangkan pada media atmosfir difusi tanpa gas nitrogen menunjukkan oksida khrom permukaan sebesar 84,15 wt % dengan konsentrasi difusi atom nitrogen dari 3,04 wt % menjadi 3,89 wt % pada lapisan dibawahnya. Pada baja tahan karat media difusi nitrogen menunjukkan konsentrasi oksida khrom permukaan sebesar 20,17 wt % akan menurunkan konsentrasi difusi atom nitrogen dari 6,04 wt % pada permukaan menjadi 2,34 wt % pada bagian dibawah permukaan (pada atmosfir nitrogen), sedangkan dan pada atmosfir udara oksida khrom permukaan sebesar 11,91 wt % akan menurunkan konsentrasi difusi atom nitrogen dari dari 5,11 wt % pada permukaan menjadi 2,15 wt % pada bagian dibawah permukaan. Pada baja AISI 1040 media difusi nitrogen menunjukkan konsentrasi oksida besi permukaan sebesar 85,39 wt % akan meningkatkan konsentrasi difusi atom nitrogen dari 0,34 wt % pada permukaan menjadi 0,47 wt % pada bagian dibawah permukaan (pada atmosfir nitrogen), sedangkan dan pada atmosfir udara oksida khrom permukaan sebesar 84,15 wt % akan menurunkan konsentrasi difusi atom nitrogen dari dari 1,56 wt % pada permukaan menjadi 0,94 wt % pada bagian dibawah permukaan. Hasil kedalaman pengerasan pada baja perkakas yaitu hingga 450 μm, baja lapis khrom yaitu hingga 320 μm sedangkan pada baja tahan karat hanya memiliki kedalaman pengerasan mencapai 6 μm. namun demikian, rendahnya kedalaman difusi atom N akan diikuti dengan konsentrasi atom N yang lebih tinggi. Mekanisme difusi atom nitrogen didalam bahan dalam pembentukan fasa nitrida selama tahap difusi dipengaruhi oleh pembentukan lapisan pasif, dimana atmosfir difusi nitrogen menunjukkan konsentrasi nitrogen didalam bahan banyak yang hilang atau terlepas ke atmosfir karena sifat inert nitrogen akan mengurangi pembentukan lapisan pasif permukaan. Hal ini didukung pada data pengujian yang menunjukkan bahwa fasa nitrida yang terbentuk pada atmosfir nitrogen sangat sedikit dibandingkan pemanfaatan atmosfir udara. Atom nitrogen yang tidak membentuk fasa nitrida keras akan terbentuk dalam nitrogen bebas. Fenomena pembentukan nitrogen bebas ini sangat dipengaruhi oleh unsur khrom yang membantu proses difusi atom N dengan membentuk lapisan oksida. (berdasarkan pengamatan EDAX dan XRD). Sedangkan pada media atmosfir difusi oksigen menunjukkan konsentrasi atom nitrogen pada permukaan lebih banyak sekitar 12 kali lipat dibandingkan dengan media atmosfir nitrogen dan hanya 4 kali lipatnya saja yang membentuk fasa nitrida Fe2N, sehingga sisanya diyakini membentuk atom nitrogen bebas
| Item Type: | Thesis (Doctor) |
|---|---|
| Identification Number: | DIS/660.294/WID/m/2016/061700091 |
| Subjects: | 600 Technology (Applied sciences) > 660 Chemical engineering and related technologies > 660.2 General topics in chemical engineering |
| Divisions: | S2/S3 > Magister Teknik Elektro, Fakultas Teknik |
| Depositing User: | Nur Cholis |
| Date Deposited: | 13 Apr 2017 08:23 |
| Last Modified: | 13 Apr 2017 08:23 |
| URI: | http://repository.ub.ac.id/id/eprint/160659 |
Actions (login required)
 |
View Item |