## WEAR RESISTANCE OF ABRADABLE-CONDUCTIVE POWDER DEPOSITED BY USING HVOF WITH DIFFERENT SURFACE PREPARATION AND SPRAY DISTANCE
Hendy Roesma Wardhana 1 , Raden Dadan Ramdan 1,* , Budi Prawara 2 , Erie Martides 2 , Riza Wirawan 1 , Bambang Widyanto 1 , Rochim Suratman 1 , Irma Pratiwi 1 , Bagas Indrasyach Pratama 1 1 Teknik Material, Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara, Institut Teknologi Bandung,
Jalan Ganesha 10, Coblong, Kota Bandung, Jawa Barat, 40132
2 Pusat Tenaga Listrik dan Mekatronik, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia,
Jalan Sangkuriang, Komplek LIPI Gedung 20, Kota Bandung, Jawa Barat 40135 *E-mail: dadan@material.itb.ac.id Diterima: 12-04-2021 Direvisi: 10-02-2022 Disetujui: 01-06-2022

## ABSTRAK
Seiring dengan timbulnya berbagai kegagalan material yang diakibatkan oleh komponen baja yang aus, HVOF ( High Velocity Oxygen Fuel ) coating dengan bahan abradable dapat menjadi solusi bagi permasalahan ini. Namun, bahan abradable-conductive masih jarang digunakan  untuk pelapisan material, maka hal tersebut masih memerlukan penelitian lebih lanjut untuk mengetahui parameter proses yang optimal. Pada penelitian ini, permukaan susbtrat diberi perlakuan yang berbeda yaitu blasting, etching , dan blasting-etching dengan tujuan untuk mendapatkan kekasaran permukaan yang berbeda. Parameter jarak penyemprotan divariasikan pada jarak 20 cm dan 30 cm. Proses blasting-etching mampu mendapatkan nilai kekasaran substrat yang tinggi. Sementara, proses pelapisan dengan jarak 20 cm memiliki ketebalan lapisan yang lebih tebal dibanding dengan material yang dilapisi pada jarak yang lebih jauh. Kombinasi antara proses blasting-etching dengan jarak semprot yang pendek, mampu menghasilkan ketahanan aus yang optimal seperti yang ditampilkan dalam hasil uji pin-on-disc .
Kata kunci: HVOF ; abradable ; permukaan ; aus.

## ABSTRACT
Along with many material failures due to worn steel components, HVOF (High Velocity Oxygen Fuel) coating based abradable material can be solution to overcome this problem. However, abradable-conductive material is still rarely used for coating, therefore it needs investigation to find out the optimum parameters of process. In this work, the surface treatment on substrate was carried out by the different methods such blasting, etching, and blasting-etching to obtain the rough surface. The spraying distance of HVOF process was varied on 20 cm and 30 cm. Blasting-etching are able to achieve the roughest surface of substrate. Meanwhile, the spray distance of 20 cm produces thicker layer than the longer spray distance. The combination of blasting-etching and the shorter spray distance are able to reach the optimum wear resistance as presented in pin-on-disc test.
Keywords : HVOF, abradable, surface, distance, wear

## SINTEK JURNAL: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin ISSN: 2088-9038, e-ISSN: 2549-9645
Homepage: http://jurnal.umj.ac.id/index.php/sintek

## 1. PENDAHULUAN
Baja merupakan material yang paling umum digunakan untuk komponen otomotif karena harganya yang relatif murah dan memiliki kekuatan mekanis yang baik  [1].  Namun, material baja akan aus dalam waktu yang lama apabila dikenakan gaya gesek secara terus menerus  [2].  Meskipun  keausan adalah suatu hal yang pasti terjadi, tetapi hal ini dapat ditunda dengan meningkatkan kualitas permukaan material.  Peningkatan ketahanan aus material dapat diperoleh dengan beberapa cara, salah satunya adalah pelapisan HVOF ( High Velocity Oxygen Fuel ) thermal spray .
Teknik pelapisan HVOF menjadi salah satu metode yang efisien dengan biaya terjangkau [3].
Proses ini dilakukan dengan menyemprotkan  lelehan  serbuk berukuran mikro untuk dideposisikan secara cepat menuju permukaan substrat. Meskipun demikian, proses ini dapat dilakukan pada temperatur kamar  dengan memperhatikan beberapa parameter tertentu seperti jarak penyemprotan, kekasaran permukaan substrat, dan jenis serbuk [4].
Jarak penyemprotan mampu mempengaruhi efisensi deposisi pada permukaan substrat karena proses ini menggunakan kecepatan penyemprotan yang tinggi. Selain faktor jarak, tingkat kekasaran permukaan substrat juga mampu memberikan hasil yang berbeda terhadap kualitas lapisan. Permukaan substrat yang kasar akan lebih mudah mengikat lelehan serbuk ketika dilakukan proses deposisi  [5]. Namun, kedua faktor tersebut akan memiliki nilai optimal yang berbeda karena akan menyesuaikan jenis serbuk yang dipakai pada proses HVOF ( High Velocity Oxygen Fuel ) tersebut. Jenis serbuk mempengaruhi nilai optimal dari jarak penyemprotan dan kekasaran permukaan karena nilai densitas setiap serbuk akan berbeda pula. Terlebih jenis serbuk juga akan memberikan sifat mekanis pada permukaan material yang dilapisi, sehingga perlu didalami lebih lanjut.
Abradable material adalah salah satu jenis material yang memiliki karakter aus abrasif sehingga material ini tidak mengalami kegagalan atau crack secara  spontan. Oleh
karena itu, serbuk material  ini  sangat tepat digunakan sebagai bahan utama  pelapisan HVOF pada  komponen otomotif. Selain itu, penambahan  unsur konduktif pada serbuk abradable material mampu  meningkatkan ketahanan abrasif  material karena berperan sebagai penghantar panas, sehingga komponen akan terabrasi secara konstan meskipun bergesekan secara lama [6].
Pada penelitian ini, abradable material yang telah ditambahkan unsur konduktif aluminium akan digunakan sebagai bahan baku serbuk. Proses penyemprotan serbuk akan dilakukan pada jarak 20 cm dan 30 cm dari permukaan substrat. Proses pengasaran permukaan dilakukan dengan 3 variasi yaitu blasting , etching , dan gabungan antara blasting dengan etching .  Pengujian mekanis dan karakterisasi material seperti metalografi, mikrovickers  dan pin-on-disc akan dilakukan untuk memperkuat hasil pengujian yang diperoleh.

## 2. METODE PENELITIAN

## 2.1 Bahan Baku
Pada penelitian ini, baja ST-37 digunakan sebagai substrat, sedangkan untuk bahan baku serbuk terdiri dari beberapa campuran jenis serbuk yang telah tertera pada tabel 1.
Tabel 1 . Komposisi serbuk penyusun abradable material Jenis serbuk Kegunaan Persentase (%) Kaolin Pengikat 25 Silika Abrasive Material 20 Aluminium  Material Konduktif 11 Karbon Friction Modifier 10 Barium Sulfat Filler 10 Vermicullite Filler 8 Magnetite Filler 8 Kalium Hidroksida Filler 8 Beberapa serbuk penyusun tersebut dicampur dengan menggunakan mesin v-mixer selama 8 jam agar mendapat persebaran yang maksimal.

## 2.2 Perlakuan Permukaan Substrat
Sebelum dilakukan proses pelapisan HVOF
( High Velocity Oxygen Fuel ), substrat diberi 3 perlakuan yang berbeda yaitu blasting, etching,
dan blasting-etching yang bertujuan untuk memberikan hasil kekasaran permukaan yang berbeda. Blasting dilakukan dengan menggunakan mesin grit-blasting seperti pada gambar 1.
Gambar 1. Mesin grit-blasting
Parameter proses grit blasting dilakukan dengan sudut 30 o , dengan jarak tembak sebesar 200 mm, dan menggunakan serbuk  alumina abrasif  sebesar 24 mesh. Sementara, untuk proses etching dilakukan selama 10 menit pada temperatur 60 o C dengan menggunakan larutan campuran antara etanol 96% dan orthophosphate 85% pada perbandingan 66.7 :
33.3.  Pada perlakuan blasting-etching , permukaan substrat diberi perlakuan blasting terlebih dahulu kemudian dilanjutkan perlakuan etching .  Selanjutnya,  sampel diberi nama dengan kode huruf sesuai dengan perlakuannya. Kode huruf B untuk sampel yang diberi perlakuan blasting , kode huruf E untuk etching , dan kode huruf BE untuk blasting-etching .
Setelah dilakukan proses pemberian kekasaran pada permukaan substrat, kekasaran permukaan diukur dengan alat ukur seperti yang tertera pada gambar 2
Gambar 2. Alat ukur kekasaran permukaan Kemudian, substrat yang telah kasar diukur ketebalannya dengan mikrometer digital dengan ketelitian 0.001 mm.

## 2.3 Parameter Proses Pelapisan HVOF
Proses pelapisan HVOF ( High Velocity Oxygen Fuel ) dilakukan dengan menggunakan mesin Hipojet-2007, dengan memperhatikan beberapa parameter yang tertera pada tabel 2 Tabel 2 . Parameter proses HVOF Parameter Nilai Temperatur Substrat 100 o C Tekanan Udara 6.2 bar Tekanan O 2 8 bar Tekanan N 2 5 bar Tekanan Gas Propana 5.5 bar Laju Aliran O 2 271 liter/menit Laju Aliran N 2 8 liter/menit Laju Aliran Gas Propana 62.4 liter/menit Sudut Penyemprotan 90 o Ukuran Serbuk 53-74 µm Jarak Penyemprotan 20 cm dan 30 cm Jumlah Lap 3 kali Waktu per Lap 15 detik Proses penyemprotan dilakukan dengan kondisi seperti pada gambar 3.
Gambar 3. Proses penyemprotan HVOF thermal spray
Setelah dilakukan proses penyemprotan, ketebalan sampel diukur pada beberapa titik dengan mikrometer digital agar didapatkan nilai rata-rata ketebalan lapisan.

## 2.4 Karakteriasi Lapisan
Karakteriasi dilakukan dengan tujuan mengetahui sifat dan profil lapisan baik secara makro maupun mikro. Beberapa aspek mikro seperti porositas lapisan diamati dengan alat mikroskop optik, sedangkan untuk nilai kekerasan mikro diperoleh dengan menggunakan  mikrovikers dengan pemberian beban 0.5 kgf serta dwelling time selama 10 detik.
Pada aspek makro, uji ketahanan aus dilakukan dengan alat pin-on-disc dengan kondisi seperti pada gambar 4 berikut. Namun, sebelum dilakukan uji aus, sampel ditimbang terlebih  dahulu untuk mengetahui massa awalnya.
Pengujian ini dilakukan dengan mengatur posisi  pin agar mengenai permukaan  sampel yang telah terpasang di holder . Holder yang berisi sampel diputar dengan kecepatan 33 rpm selama 90 detik, kemudian sampel ditimbang dan dihitung perubahan beratnya. Pengujian ini dilakukan dengan pengulangan sebanyak 3 kali untuk satu sampel..

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN

## 3.1 Profil Lapisan
Profil  lapisan meliputi berbagai hal seperti kekasaran permukaan, ketebalan, dan porositas lapisan. Nilai kekasaran permukaan dan ketebalan lapisan dari setiap variasi perlakuan telah ditampilkan pada tabel 3.
Tabel 3 .  Nilai kekasaran permukaan substrat dan lapisan coating Nama Sampel Nilai Kekasaran Permukaan (Ra) Ketebalan Lapisan (µm) B20 3.004 173.4 B30 49.2 E20 0.714 163.3 E30 37 BE20 3.816 181.4 BE30 46.6 B20 : Blasting , jarak penyemprotan 20 cm B30 : Blasting , jarak penyemprotan 30 cm E20 : Etching , jarak penyemprotan 20 cm E30 : Etching , jarak penyemprotan 30 cm BE20  : Blasting-etching , jarak penyemprotan 20 cm BE30  : Blasting-etching , jarak penyemprotan 30 cm
Berdasarkan tabel tersebut, sampel yang disemprot dengan jarak 20 cm memiliki ketebalan yang jauh lebih tinggi dibanding sampel yang disemprot dengan jarak 30 cm. Perbedaan ketebalan ini, dikarenakan banyaknya partikel serbuk yang tidak menempel pada permukaan sampel kode 30. Sementara, jarak penyemprotan yang lebih dekat  membuat lelehan partikel menjadi cepat terdeposisi  menuju substrat.  Apabila lelehan partikel  yang terlalu lama di udara, maka partikel  mudah memadat dan sulit untuk menempel pada permukaan substrat [7].
Sementara, untuk perlakuan permukaan berupa blasting-etching memiliki tingkat kekasaran permukaan yang paling tinggi, diikuti
Holder Sampel
Pin
oleh perlakuan blasting , dan terkahir etching . Nilai kekasaran permukaan yang tinggi menghasilkan lapisan yang lebih tebal. Kekasaran permukaan yang tinggi mampu meningkatkan kekuatan ikatan antara lapisan dan substrat, sehingga lelehan partikel akan sangat mudah menempel pada permukaan substrat [8].
Berdasarkan hasil mikrostruktur yang ditampilkan pada gambar 5 berikut, berbagai perlakuan menghasilkan profil lapisan yang berbeda
A B C E D Porositas
Gambar 5 . Profil lapisan: (a) B20, (b) B30, (c) E20,
(d) E30, (e) BE20, dan (f) BE30 yang diamati dengan mikroskop optik.
Lapisan dari sampel yang ditampilkan pada gambar 5b, 5d, dan 5f memiliki ketebalan lapisan yang sangat kecil. Hal tersebut berbanding lurus dengan hasil pengukuran ketebalan secara makro dengan menggunakan mikrometer digital.
Apabila ditinjau dari tingkat porositasnya, sampel yang diberi perlakuan blasting-etching memiliki kadar porositas yang paling  sedikit, sedangkan sampel yang diberi perlakuan etching memiliki kadar porositas yang lebih banyak dibanding blasting [8] .
Sementara, pengaruh jarak penyemprotan terhadap  porositas tidak terlalu terlihat, meskipun pada gambar 5e dan 5f menunjukan bahwa sampel yang disemprot dengan jarak 20 cm memiliki porositas yang lebih sedikit. Faktor jarak secara langusng berkaitan dengan kecepatan penyemprotan, semakin dekat maka kecepatan akan semakin tinggi. Tingginya kecepatan lelehan partikel inilah yang akan menyebabkan porositas lapisan menjadi sedikit [9].

## 3.2 Kekerasan Lapisan
Nilai kekerasan didapatkan dengan 5 kali pengulangan, agar mendapat nilai rata-rata yang akurat. Hasil kekerasan lapisan pada masing- masing variasi sampel telah  tercantum pada tabel 4.
Tabel 4 . Nilai kekerasan lapisan micro hardness Nama Sampel Nilai (HV 0.5 ) B20 340.4 B30 264.8 E20 279.6 E30 189.4 BE20 396.8 BE30 277.8 Berdasarkan tabel 4, nilai kekerasan lapisan tertinggi diperoleh sampel yang diberi perlakuan blasting-etching dan diikuti oleh sampel blasting lalu sampel etching . Nilai kekerasan lapisan tersebut berbanding terbalik dengan kadar porositas. Sampel dengan kandungan porositas yang sedikit memiliki kekerasan yang tinggi. Tingginya kekerasan lapisan, juga dipengaruhi oleh kecepatan deposisi, yang mana dalam kasus ini dipengaruhi oleh jarak penyemprotan [10].
Selain itu, besarnya ketebalan juga menjadi salah satu faktor yang mampu meningkatkan kekerasan lapisan, maka sampel yang disemprotkan pada jarak 30 cm memiliki kekerasan yang lebih kecil dibanding sampel yang disemprot dengan jarak 20 cm  karena perbedaan ketebalan lapisan.

## 3.3 Ketahanan Aus Abrasif
Sifat ketahanan aus ditunjukkan dengan kemampuan sampel untuk mempertahankan massa material pada saat pengujian pin-on-disc . Perubahan massa sampel pada setiap siklus diamati dan dilakukan penjumlahan secara keseluruhan. Nilai perubahan massa pada setiap sampel telah tertera pada tabel 5 berikut.
Tabel 5 . Nilai perubahan massa pada saat pengujian pin-on-disc Nama Sampel Massa yang hilang (g) Siklus 1 Siklus 2  Siklus 3 B20 0.01216 0.01354  0.01450 B30 0.00248 0.00326  0.00392 E20 0.01302 0.01398  0.01512 E30 0.00406 0.00512  0.00564 BE20 0.01201 0.01318  0.01432 BE30 0.00198 0.00264  0.00326 Berdasarkan tabel 5 tersebut, sampel dengan jarak penyemprotan sejauh 30 cm mengalami perubahan massa yang lebih rendah dibanding F
sampel yang disemprotkan dengan jarak 20 cm. Berdasarkan hasil penelitian lain, ketahanan aus akan meningkat seiring dengan besarnya ketebalan lapisan coating [11].  Hasil dari penelitian ini, tentu berbanding terbalik dengan teori yang berkembang, karena sampel dengan kode 30 memiliki ketebalan yang lebih tipis dibanding sampel dengan kode 20. Hal tersebut dapat terjadi karena  pengujian pin-on-disc menggunakan perhitungan perubahan massa untuk melihat ketahanan aus material, sehingga pada sampel  kode 30 yang  mana memiliki lapisan  tipis tentu menghasilkan perubahan massa yang lebih sedikit.
Sementara, pada sampel yang diberi perlakuan blasting-etching memiliki ketahanan aus paling baik yang ditandai dengan nilai kehilangan massa yang paling sedikit. Sedangkan, sampel dengan perlakuan etching memiliki kehilangan massa yang paling banyak dibanding sampel yang diberi perlakuan blasting .  Tingginya ketahanan aus dari sampel kode BE ini dipengaruhi oleh kadar porositas lapisan yang rendah dan juga nilai kekerasan mikro yang tinggi [12]. Hasil ini berbanding lurus dengan teori yang berkembang, karena sifat kekerasan pada permukaan akan menunjukkan performa ketahanan aus yang baik [10].

## 4, KESIMPULAN
Penelitian mengenai ketahanan aus material dengan menggunakan metode HVOF ( High Velocity Oxygen Fuel ) thermal spray telah berhasil dilakukan dengan memvariasikan parameter berupa jarak penyemprotan dan jenis perlakuan kekasaran permukaan.
Pada sampel yang disemprot dengan jarak 20 cm memiliki lapisan coating yang lebih tebal dibanding sampel yang disemprot pada jarak 30 cm. Sampel yang dikenai perlakuan kekasaran blasting-etching
memiliki kekasaran permukaan paling tinggi, diikuti dengan sampel blasting kemudian  sampel etching . Urutan tersebut juga berlaku pada nilai kekerasan dan kualitas ketahanan aus lapisan.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  De la Fuente D, Díaz I, Simancas J, Chico B, Morcillo M. Long-term atmospheric corrosion of mild steel. Corrosion Science. 2011;53(2):604-17.
[2]  Pei X, Pu W, Zhang Y, Huang L. Surface topography and friction coefficient evolution during sliding wear in a mixed lubricated rolling-sliding contact. Tribology International. 2019;137:303-12.
[3]  Lima C, Guilemany J. Adhesion improvements of thermal barrier coatings with HVOF thermally sprayed bond coats. Surface and Coatings Technology. 2007;201(8):4694-701.
[4]  Pukasiewicz A, De Boer H, Sucharski G, Vaz R, Procopiak L. The influence of HVOF spraying parameters on the microstructure, residual stress and cavitation resistance of FeMnCrSi coatings. Surface and Coatings Technology. 2017;327:158-66.
[5]  Zoei MS, Sadeghi MH, Salehi M. Effect of grinding parameters on the wear resistance and residual stress of HVOF-deposited WC–10Co– 4Cr coating. Surface and Coatings Technology. 2016;307:886-91.
[6]  Zhang B, Marshall M. Investigating material removal mechanism of Al-Si base abradable coating in labyrinth seal system. Wear. 2019;426:239-49.
[7]  Peng Y, Zhang C, Zhou H, Liu L. On the bonding strength in thermally sprayed Fe- based amorphous coatings. Surface and Coatings Technology. 2013;218:17-22.
[8]  Gawne D. Splat morphology and adhesion of thermally sprayed coatings. Proc of ITSC'95. 1995;2:779-84.
[9]  García-Rodríguez S, Torres B, López A, Otero E, Rams J. Characterization and mechanical properties of stainless steel coatings deposited by HVOF on ZE41 magnesium alloy. Surface and Coatings Technology. 2019;359:73-84.
[10]  Picas J, Punset M, Baile MT, Martín E, Forn A. Effect of oxygen/fuel ratio on the in-flight particle parameters and properties of HVOF WC-CoCr coatings. Surface and Coatings Technology. 2011;205:S364-S8.
[11]  Siu JH, Li LK. An investigation of the effect of surface roughness and coating thickness on the friction and wear behaviour of a commercial MoS2–metal coating on AISI 400C steel. Wear. 2000;237(2):283-7.
[12]  Zamani  P, Valefi Z, Mirjani M. Effect of grinding and lubricating post-treatment on wear performance of plasma sprayed Cr2O3– Al2O3 composite coatings. Surfaces and Interfaces. 2019;16:206-14 .