## Analisis laju korosi dan keausan spesifik pada artificial hip joint Cr coated SS304
Muhammad Abdul Basyith 1 , Joko Triyono 2 , Eko Surojo 2
1 Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Univeristas Sebelas Maret
2 Staf Pengajar, Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret Jl. Ir. Sutami No.36 A, Pucangsawit, Kec. Jebres, Surakarta 57126
Email korespondensi: jokotri5528@yahoo.com

## Abstrak
Hip  joint  merupakan  salah  satu  tulang  penyambung  antara  pinggul  dan  tulang  paha  pada tubuh  manusia. Bagian ini terbagi menjadi tiga bagian yaitu femur, fermoral head, dan rounded socked. Hip joint dapat terganggu fungsinya akibat dampak penyakit atau kecelakaan. Artificial hip joint merupakan implan tulang pinggul buatan dengan  ukuran  geometri  yang  sesuai  dengan  kebutuhan  pengguna  untuk  menggantikan  fungsi  tulang  yang mengalami  kerusakan.  Implan  dalam  kajian  ini  dibuat  menggunakan  material  SS304  yang  dilapisi  dengan  Cr dengan metode hard chrome. Kemudian akrilik digunakan sebagai acetabular liner sebagai penopang fermoral head.  Kajian ini bertujuan untuk mengetahui nilai  laju korosi  pada  Cr coated SS304 dan laju keausan spesifik pada  akrilik  yang  digesekan  pada  Cr  coated  SS304.  Variasi  yang  digunakan  pada  kajian  ini  adalah  waktu pelapisan yaitu 5 menit, 10 menit, dan 15 menit. Dalam  kajian ini dijelaskan bahwa nilai  optimum laju korosi senilai 2,78 x 10 -3 mm/tahun, didapat dengan parameter waktu pelapisan 15 menit dan nilai laju keausan spesifik akrilik terhadap Cr coated SS304 yaitu senilai 1,910 x 10 -7 mm 2 /N.
Kata kunci : artificial hip joint, hip joint implant, hard chrome, SS304, laju korosi, keausan spesifik.

## Abstract
Hip  joint  is  a  jointer  bones  between  hip  and  thigh  in  human  body.  Consist  of three  parts,  there  are femur, fermoral head, and rounded socked. Hip joint could be malfunction caused by abnormalities or accident. Artificial hip joint is suited size of artificial hip implant for replace the broken bone. This study used SS304 as the implant material  which coated by Cr and hand chrome method. Acrylic as acetabular liner and used to be support  the fermoral head. Aims of this study is determine the values of corrosion rate in Cr coated SS304 and napless specific rate on acrylic that swiped on Cr coated SS304. Variations in this study is in the coating time, there are 5 minutes, 10 minutes and 15 minutes. This study examined that the optimum corrosion value which is 2.78 x 10 -3 mm/year, obtained by the coating time in 15 minutes and napless specific rate of acrylic on Cr coated SS304 is 1.910 x 10 -7 mm 2 /N.
Keywords: artificial hip joint, hip joint implant, hard chrome, SS304, corrosion rate, napless specific.

## 1. Pendahuluan
Tulang  adalah  pembentuk  rangka  pada  tubuh manusia.  Sistem  rangka  terdiri  atas  tulang,  tulang rawan,  dan  membran  yang  melapisi  tulang.  Setiap tulang  adalah  organ  yang  meliputi  jaringan  ikat (tulang,  darah,  tulang  rawan,  jaringan  adiposa,  dan jaringan  ikat  menyerabut),  jaringan  saraf,  serta jaringan  otot  dan  epitelium  (di  dalam  pembuluh darah). Tulang memiliki banyak fungsi yaitu sebagai penunjang bagi tempat penempelan otot, melindungi organ vital, penyimpanan mineral kalsium dan fosfor dan  tuas  penggerak  bagi  tubuh.  Seiring  berjalannya waktu,  kemampuan  tulang  dalam  menopang  tubuh akan  berkurang.  Resiko  patah  tulang  semakin  besar dengan bertambahnya umur. Pada usia 80 tahun, satu dari  tiga  wanita  dan  satu  dari  lima  pria  beresiko mengalami  patah  tulang  panggul,  demikian  pula mengalami  patah  tulang  belakang.  Mulai  usia  50 tahun, kemungkinan patah tulang pada wanita adalah 40% sedangkan pada pria adalah 13% [1]. Kerusakan
sendi panggul dapat diobati dengan mengganti sendi panggul  dengan  prosedur  pembedahan.  Prosedur pembedahan  dilakukan  dengan  cara  penghapusan tulang rawan dan tulang yang rusak dari sendi panggul dengan menggunakan sendi panggul tiruan dari bahan biomaterial.  Operasi  penggantian hip merupakan solusi yang paling banyak dilakukan untuk mengganti hip joint yang telah rusak. Dengan  banyaknya kasus tentang penurunan fungsi hip joint sebagai salah satu sendi untuk bergerak, maka perlu adanya sambungan tulang  pinggul  buatan  ( artificial  hip  joint )  untuk menggantikan fungsi dari sambungan tulang pinggul.
Stainless steel adalah  bahan  yang  banyak digunakan dalam  industri,  terutama  industri  yang  membuat implan  tulang,  bahan  ini  salah  satu  jenis  baja  yang tahan  terhadap  karat  serta  sifat  mekanis  yang  baik. Stainless  steel merupakan  bahan  yang  baik  untuk biomaterial  [2].  Bahan stainless  steel yang  sering digunakan untuk aplikasi biomaterial adalah stainless steel 316L  karena  memiliki  hambatan  korosi  yang
tinggi  dalam  keadaan  kering  maupun  basah  [3]. Penggunaan  material  SS316L  sebagai  implan mempunyai  kekurangan  yang  disebabkan  adanya kandungan nikel. Nikel merupakan jenis logam yang apabila  dimasukkan  kedalam  tubuh  dapat  memicu alergi, 13% manusia sensitif terhadap bahan nikel [4]. Penggunaan  material SS304 sebagai alternatif  bahan pembuat  implan  diusulkan  karena  kadar  nikel  yang rendah. Menurut Material safety data sheet (MSDS), kadar  nikel  di  SS316L  sekitar  10-15%,  sedangkan kadar  nikel  pada  SS304  sekitar  8-10,5%.  Untuk menghindari  pelepasan  kadar  nikel  pada  material SS304  dapat  diisolasi  dari  jaringan  tubuh  dengan metode  pelapisan. Electroplating merupakan  proses pelapisan  permukaan  logam  dengan  logam  lain didalam  larutan elektrolit dengan  menggunakan arus listrik.  Salah  satu  metode electroplating adalah chrome  plating .  Metode  ini  bertujuan  untuk memberikan  kekuatan  kekerasan  yang  tinggi  pada logam,  meningkatkan  ketahanan  aus,  mengurangi gesekan,  dan  meningkatkan  ketahanan  terhadap korosi.  Pada  saat  ini  material  yang  digunakan  untuk komponen  tersebut  kebanyakan  adalah acetabular liner menggunakan UHMWPE sedangkan acetabular shell , femoral  head dan femoral  stem menggunakan stainless steel 316L. Pada  kajian  ini akan  digunakan akrilik sebagai acetabular liner dan Cr coated SS304 sebagai acetabular  shell , femoral  head dan femoral stem . 2. Metode
Cr coated SS304  (SS304  dilapisi  Cr)  sebagai  bahan kajian  untuk  implan  tulang  panggul.  Kajian  ini bertujuan  untuk  mengetahui  karakteristik  material, nilai  laju  korosi  Cr coated SS304  dan  laju  keausan spesifik akrilik terhadap Cr coated SS304. Kajian ini diharapkan  dapat  digunakan  untuk  implan  tulang panggul  pada  manusia  dengan  ukuran  yang  sesuai dengan  karakteristik  orang  Indonesia.  Komponen artificial hip  joint pada Gambar 1 terdiri dari  sistem acetabular dan femoral .  Dalam  sistem acetabular terdiri dari komponen acetabular shell dan acetabular liner ,  sedangkan  pada  sistem femoral terdiri  dari komponen femoral head dan femoral stem .
Gambar 1. Komponen artificial hip joint.
Spesimen  uji  dibagi  menjadi  beberapa  variasi  Cr coated SS304  seperti  pada  Tabel  1.  Pembuatan spesimen  uji  Cr coated SS304  dengan  cara  melapisi Cr  pada  SS304  dengan  metode hard  chrome . Selanjutnya  dibuat  variasi  pada  spesimen  uji  Cr coated SS304  dengan  variasi  perbedaan  waktu pelapisan yaitu 5 menit, 10 menit, dan 15 menit.
Tabel 1. Variabel spesimen uji.
Kode Spesimen Bahan Waktu Pelapisan SS304C5 Cr coated SS 304 5 menit SS304C10 Cr coated SS 304 10 menit SS304C15 Cr coated SS 304 15 menit
Laju  korosi  adalah  kecepatan  rambatan  atau kecepatan penurunan kualitas bahan terhadap waktu. Polarisasi  potensiodinamik  adalah  metode  untuk menentukan  perilaku  korosi  logam  berdasarkan hubungan  potensial  dan  arus  anodik  atau  katodik. Data  yang  didapat  dari  metode  ini  adalah  kurva polarisasi  anodik  atau  katodik  yang  menyatakan hubungan  antara  arus  (μA/cm 2 )  sebagai  fungsi potensial (mV). Selanjutnya kurva tersebut diekstraposisi  agar  dapat  menentukan  laju  korosi. Metode  ekstrapolasi  tafel  digunakan  untuk  mencari data E corr dan I corr , ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 2. Icorrosion determination.
Jika  diketahui  penurunan  massa  dari  suatu  material yang terkorosi maka laju korosi dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan (1) berikut.
𝑪𝑹 (𝒎𝒑𝒚) = 𝑲 𝑰 𝒄𝒐𝒓𝒓 (𝑬𝑾) 𝝆 (1)
Dimana:
Mpy = miles penetration per year K = konstanta (0,129 untuk mpy)
1 mpy = 0,0254 mmpy ( milimeter per year )
𝜌
= massa jenis material (gram/cm 3 )
𝐼 𝑐𝑜𝑟𝑟 = rapat arus saat 𝐸 𝑐𝑜𝑟𝑟 ( 𝜇𝐴/𝑐𝑚 2 )
Keausan  adalah  hilangnya  bagian  dari  permukaan akibat adanya interaksi antara permukaan satu dengan lainnya [5]. Keausan yang terjadi pada suatu material disebabkan  oleh  adanya  beberapa  mekanisme  yang
Keterangan:
A. Acetabular Shell B. Acetabular Liner C. Femoral Head
D. Femoral Stem
berbeda dan terbentuk oleh beberapa parameter yang bervariasi  meliputi  bahan,  lingkungan,  kondisi operasi, dan geometri permukaan benda  yang terjadi keausan. Besar laju keausan ( specific wear rate ) dapat dicari dengan menggunakan Persamaan (2) berikut.
K = ∆𝑽 𝑭.𝑳 (2)
Dimana: K = Specific wear rate ∆ 𝑉 = Perubahan volume pin
F
= Pembebanan statis L = Jarak gesek

## 3. Hasil dan Pembahasan
Percobaan  dilakukan  dengan  menggunakan  metode Hard  Chrome  Electroplating dengan  variasi  seperti pada  Tabel  2  dengan  model  spesimen  sebelum pelapisan seperti pada Gambar 3.
Gambar 3. Spesimen uji sebelum pelapisan.

## Pelapisan Cr pada SS304
Setelah melewati proses pelapisan hard chrome hasil spesimen  ditunujkan  seperti  pada  Gambar  4  yang memiliki  warna  abu  kelabu.  Spesimen  ini  kemudian diuji sesuai dengan pengujian yang akan dilakukan.
Gambar 4. Spesimen uji setelah pelapisan.

## Pengujian Laju Korosi Cr coated SS304
Gambar  5  berikut  menunjukan  hasil  laju  korosi  dari spesimen uji SS304C5 sebesar 3,59 x 10 -3 mm/tahun, laju korosi dari spesimen uji SS304C10 sebesar 3,09
x  10 -3 mm/tahun,  dan  laju  korosi  dari  spesimen  uji SS304C15  sebesar  2,78  x  10 -3 mm/tahun.  Pengujian dilakukan  dengan  media  cairan  infus  Otsu-RL. Gambar  5  menunjukkan  nilai  korosi  pada  spesimen hip  joint  Cr  Coated SS304  mengalami  penurunan bersama dengan peningkatan waktu perendaman pada saat proses pelapisan. Hal itu disebabkan pada proses pelapisan  dibutuhkan  waktu  agar  ion-ion chrome dapat menempel pada permukaan dengan baik. Kajian ini menggunakan variasi waktu yang digunakan yaitu 5  menit,  10  menit,  dan  15  menit.  Dan  hasil  yang didapat  bahwa  pelapisan  dengan  waktu  15  menit dengan  nilai  laju  korosi  2,78  x  10 -3 mm/tahun memiliki  nilai  laju  korosi  lebih  rendah  dari  variasi lainnya yaitu pelapisan dengan waktu 5 menit dengan nilai  laju korosi 3,59 x 10 -3 mm/tahun dan 10  menit dengan  nilai  laju  korosi  3,08  x  10 -3 mm/tahun. Sehingga  dalam  kajian  ini  waktu  pelapisan  terbaik untuk mendapatkan nilai laju korosi yang rendah yaitu pada waku pelapisan 15 menit.
Gambar 5. Laju korosi Cr coated SS304.

## Perbandingan Laju Korosi Cr coated SS304 dengan SS304 dan SS316L sebagai fermoral head
Gambar 6 berikut menunjukan grafik perbedaan nilai laju korosi pada spesimen SS316L dengan SS304 dan Cr Coated SS304.  Pada  kajian  yang  dilakukan  [6] bahwa  laju  korosi  SS316L  dan  SS304  pada  cairan SBF (infus) didapat dengan nilai seperti pada Gambar 6.  Nilai  laju  korosi  L  SS304  sebesar  4,03  x  10 -3 mm/tahun. Laju korosi material SS316 memiliki nilai 1,22 x 10 -3 mm/tahun yang mana memiliki nilai laju korosi  lebih  rendah  dari  Cr Coated SS304  dengan waktu pelapisan 15  menit  yang  memliki  nilai 2,78 x 10 -3 mm/tahun.  Hal  ini  disebabkan  perbedaan kandungan  SS316L  dengan  Cr Coated SS304. SS316L memiliki kandungan molybdenum 2-3% yang mana molybdenum memiliki sifat sebagai anti korosi yang baik pada  larutan kimia khususnya cairan pada tubuh  manusia  yang  pada  kajian  ini  disimulasikan dengan cairan infus. Pada material Cr Coated SS304 tidak  memiliki  kandungan molybdenum sebagai komposisi  tambahan  pada  material,  sehingga kemampuan dalam menahan laju korosi tidak sebaik SS316L.
3.59 3.09 2.78 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 5 10 15 C o rr o si o r at e x 10 -3 ( m m /yr )
Coating time ( minutes )
Gambar 6. Grafik perbedaan laju korosi Cr coated SS304 dengan SS316L.

## Hasil Uji Laju Keausan Spesifik
Uji  keausan  spesifik  dilakukan  dengan  parameter seperti Tabel 2 berikut.
Tabel 2. Parameter uji gesek.
Spesimen Tekanan (MPa) Kecepatan gesek (m/s) Jarak gesek (m) Akrilik 1,0 1,0, 1,5, 2,0 1,318
Hasil  dari  uji  laju  keausan  spesifik  dari  akrilik terhadap masing-masing variabel dapat dilihat bentuk grafik pada Gambar 7.
Gambar 7. Grafik laju keausan spesifik.
Hasil pengujian yang dilakukan pada masing- masing variabel  kecepatan  1  m/s  didapatkan  hasil  nilai keausan  spesifik  sebesar  1,09  x  10 -7 mm 2 /N, kecepatan 1,5 m/s nilai keausan spesifik sebesar 1,09 x  10 -7 mm 2 /N,  dan  kecepatan  2  m/s  nilai  keausan spesifik  sebesar  1,36  x  10 -7 mm 2 /N  pada  spesimen pelapisan  5  menit  dengan  10  menit  dan  1,91  x  10 -7 mm 2 /N  pada  pelapisan  15  menit.  Dari  ketiga  variasi kecepatan,  data  menunjukkan  tidak  ada  perubahan signifikan dari kecepatan 1 m/s dengan 1,5 m/s. akan tetapi  pada  kecepatan  2  m/s  ketiganya  mengalami kenaikan.  Dari  hasil  diatas,  nilai  keausan  spesifik meningkat  seiring  dengan  meningkatnya  kecepatan putar. Hal ini serupa dengan kajian yang mengatakan nilai keausan spesifik dipengaruhi dengan kecepatan putar [7].

## 4. Kesimpulan
Berdasarkan pembahasan yang telah dilakukan dalam kajian  dapat  diambil  kesimpulan  bahwa  nilai  laju korosi  Cr Coated SS304  dengan  varisi  waktu pelapisan  5  menit  memiliki  nilai  3,59  x  10 -3 mm/tahun, variasi waktu pelapisan 10 menit memiliki nilai 3,09 x 10 -3 mm/tahun, dan variasi waktu 15 menit memiliki nilai 2,78 x 10 -3 mm/tahun. Nilai laju korosi paling  rendah  dalam  kajian  ini  yaitu  pada  waktu pelapisan  15  menit  senilai  2,78  x  10 -3 mm/tahun. Tingkat keausan spesifik untuk akrilik yang digesekan pada  Cr Coated SS304  sangat  dipengaruhi  oleh kecepatan  geser.  Nilai  laju  korosi  Cr Coated SS304 waktu  pelapisan  15  menit  dengan  nilai  2,78  x  10 -3 mm/tahun  paling  mendekati  nilai  laju  korosi  produk yang beredar di pasar yaitu SS316L dengan nilai 1,22 x  10 -3 mm/tahun  dan  masuk  dalam  kategori outstanding berdasarkan  parameter  standar  laju korosi.

## Daftar Pustaka
[1] H. Tandra, 2009, Osteoporosis, in: PT Gramedia Pustaka Utama, Jakarta.
[2] H. Suh, 1998, Recent Advances in Biomaterials, Yonsei Med. J. 39, 87–96.
[3] J.  Alvarado,  R.  Maldonado,  J.  Marxuach,  R. Otero,  2003,  Biomechanics  of  hip  and  kne arthroplasties, Appl. Eng. Mech. Med. 6–22.
[4] Rabin, No Title, 2017, 1–13. https://emedicine.medscape.com/article/123069
6.
[5] J. Almen, 1950, American Society for Metals, in: Mech. Wear (J.T. Burwe).
[6] Sunardi,  P.T.  Iswanto,  Mudjijana,  2015, Peningkatan  Ketahanan  Korosi  Pada  Material Biomedik  Plat  Penyambung  Tulang  SS  304 Dengan  Gabungan  Metode  Shot  peening  dan Electroplating  Ni-Cr,  J.  Ilm.  Semesta  Tek.  18, 160–167.
[7] Y.Q.  Wang,  J.  Li,  1999,  Sliding  wear  behavior and  mechanism  of  ultra-high  molecular  weight polyethylene, 266, 155–160.
1.22 4.03 3.59 3.09 2.78 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 SS 316 L SS 304 SS 304 C5 SS 304 C10 SS 304 C15 C o rro sio n ra te x 10 -3 ( m m /y r) Speciment 1.09 1.09 1.36 1.09 1.09 1.36 1.09 1.09 1.91 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 1 1.5 2 Spec if ic w ear x 1 0 -7 (mm 2 /N ) Sliding speed(m/s) SS304C5 SS304C10 SS304C15