E-ISSN: 2745-7435 P-ISSN: 1979-5858
Karakteristik Hasil Proses Nitridisasi Besi Tuang Nodular Temperatur 550 0 C pada Waktu Penahanan 2 Jam, 4 Jam, 6 Jam
W. G. S. Wardiana, W. Sujana
Program Studi Teknik Mesin S-1, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Nasional Malang Email: iwayangedesuputrawardiana@gmail.com

## A BSTRACT
Nitridisasi  merupakan  suatu  proses  perlakuan  panas  termokimia  yang  dimana  nitrogen  dan  amonia  didifusikan kepermukaan  material  (ferro  and  non-ferro)  pada  temperatur  500-600 0 C  sehingga  membentuk  pengerasan  kulit  akibat terbentuknya  lapisan  nitrida  paduan  pada  permukaan.  Namun  pengerasan  permukaan  ditentukan  oleh  paduan  dari material  yang  dilakukan  proses  nitridisasi.  Tujuan  Nitridisasi  adalah  untuk  memperbaiki  ketahanan  aus,  meningkatkan ketahanan lelah, dan memperbaiki ketahanan tehadap korosi. Proses nitidisasi ini juga dapat mengganti jenis perlakuan panas lain yang menekankan performance yang baik. Pada penelitian ini akan memanfaatkan besi cor nodular yanga akan diproses nitridisasi menggunakan fluidised bed furnace.
Pada penelitian ini menggunakan pengujian distribusi kekerasan (metode vickers) untuk mengamati sejauh mana nitrogen berdifusi  pada  permukaan  spesimen,  dan  pengamatan  struktur  mikro  dengan  scanning  electron  microscope,  energy dispersive X-Ray spectroscopy (SEM-EDS). Penelitian ini akan memberikan informasi fenonema proses nitridisasi pada besi  cor  nodular  sehingga  mendapatkan  suatu  analisis  yang  sesuai  dengan  metode  sehingga  menghasilkan  kualitas kekerasan permukaan yang baik.
Keywords Nitridisasi, Kekerasan Permukaan, Besi Cor Nodular, SEM-EDS. Paper type Research paper

## P ENDAHULUAN
Besi cor merupakan salah satu material tertua yang pernah ditemukan oleh manusia diantara semua jeis logam. Logam ini sangat banyak digunakan atau diaplikasian untuk kendaraan dan mesin-mesin yang digunakan didalam pabrik. Besi cor juga memiliki temperatur yang sangat rendah yaitu sekitar 1200 0 C. 2) Dengan temperatur leleh yang sangat rendah dapat menguntungkan karena mudah dicairkan sehingga pemakaian bahan bakar bisa lebih hemat.
Kebutuhan  besi  cor  didunia  otomotif  dari  tahun  ke  tahun  semakin  meningkat  sehingga  kehandalan  dari  besi  cor  harus ditingkatkan dengan cara melalui berbagai penelitian sehingga dpat menemuka besi cor yang memiliki kualitas yang baik untuk dijadikan komponen-komponen pada mesin otomotif. selain mempunyai sifat keras besi cor nodular juga mampu bekerja  pada  temperatur  yang  tinggi.  Untuk  mendapatkan  kualitas  kekerasan  pada  permukaan  besi  cor  maka  hasrus dilakukan  perlakuan  panas  termokimia  (thermochemical  treatmen).  Pada  penelitian  ini  dilakukan  perlakuan  panas nitridisasi untuk mendapatkan material yang ulet dan  keras pada permukannya sehingga dapat diaplikasikan sebagai cam shafts, crankshafts, poros engkol, ring piston, dan komponen-komponen pada mesin diesel Method

## T INJAUAN P USTAKA

## Nitridisasi
Nitridisasi adalah suatu proses perlakuan panas termokimia (thermochemical treatment) dimana nitrogen didifusikan ke permukaan  material  (ferro  and  non-ferro)  pada  temperatur  500-600 0 C  sehingga  terbentuk  pengerasan  kulit  akibat terbentuknya lapisan nitrida paduan pada permukaan spesimen. Ketebalan lapisan yang terbentuk berkisaran 0,2-0,7 mm dengan kekerasan mencapai 900-1100 HV. Karena suhu prosesnya sangat rendah maka kemungkinan terjadinya distrorsi giometri  atau  terjadinya  retak  yang  sangat  kecil.  Beberapa  sifat  yang  penting  yang  dihasilkan  oleh  proses  nitridisasi adalah keausan abrasive, ketahanan aus adhesive dan ketahanan korosi. 1) Diagram FeN
Pada  kondisi  tertentu,  atom-atom  nitrogen  yang  berdifusi  akan  bereaksi  dengan  atom-atom  besi  membentuk  senyawa nitrida besi FeN seperti Fe 2 N, Fe 3 N, dan Fe 4 N yang memiliki sifat yang keras dan stabil pada temperatur tinggi. Ketika
mencapai temperatur nitridisasi, nitrogen akan terlarut dalam besi dengan kelarutan maksimum 0,1% massa. Ketika lebih besar dari 0,1% maka akan membentuk senyawa nitrida y’ (Fe 4 N). Jika kelarutan nitrogen pada besi melebihi 6%, maka nitrida y’ (Fe 4 N) akan berubah menjadi ϵ (Fe 2-3 N). Pada temperatur 500 0 C dengan kadar nitrogen lebih dari 11% maka nirida ع (Fe 2 N) akan segera terbentuk dan diatas 650 0 C Fe 4 N akan terurai. 4)
Fig. 1. Diagram Fasa Fe-N Sumber : Arthur dkk, 1986

## Macam-macam Nitridisasi
a) Gas Nitridisasi
Gas  nitridisasi  dilakukan  dengan  pemanasan  antara  temperatur  500-600 0 C  dalam  dapur  pemanas  dengan atmosfer yang banyak mengandung nitrogen 6)
b) Pack Nitriding
Pack atau serbuk (solid) mempunyai kesamaan pada proses pack carburising. Pack nitriding dilakukan dengan memanaskan benda kerja didalam kotak tertutup rapat yang berisi nitriding compound.
c) Plama Nitriding
Plasma nitriding biasanya juga dikenal  sebagai ion  nitriding. Plasma  nitriding  merupakan pengembangan dari konvensional  gas  nitriding  dimana  sumber  gas  diperoleh  dari  amonia  atau  campuran  antara  nitrogen  dengan hidrogen.

## Fluidised Bed Furnace
Teknologi  fluidised  bed  saat  ini  telah  dimanfaatkan  untuk  proses  perlakuan  termokimia  gas  dalam  menghasilkan kekerasan  permukaan  baja  dan  besi.  serbuk  alumina  dimanfaatkan  sebagai  media  transfer  panas  dari  dinding  dapur menuju kespesimen dengan demikian akan menghasilkan peningkatan kualitas pengerasan permukaan. Namun kualitas pengerasan permukaan sangat ditentukan oleh paduan dari material yang akan diproses. 6)

## Keunggulan dari Fluidised Bed
Keunggulan dari fluidised bed 3) yaitu :
• Dapat digunakan untuk memproses material ferro maupun non-ferro.
• Kecepatan perpindahan panas yang tinggi dapat dicapai.
• Waktu awal perlakuan panas lebih singkat dan dapur dapat ditutup sepanjang malam.
• Efisiensi thermal yang dihasilkan tinggi dengan konsumsi listrik yang rendah
• Dapat digunakan untuk berbagai jenis pengerasan permukaan kimia (thermochemical treatment)

## Kekurangan dari Fluidised Ben
Kekurangan dari fluidised bed yaitu :
• Sangat potensi terjadinya peledakan, bila terdapat kebocoran
• Aarah dari aksi fluidised bed pada permukaan benda kerja yang berorientasi secara berbeda-beda.
• Variasi ukuran komponen kerja yang diijinkan sulit diketahui.

## RANCANGAN PENELITIAN
Dalam melakukan pengujian dilakukan beberapa metode dan rancangan penelitian sehingga pengujian dilakukan dengan cara  jelas  dan  sistematis.  Proses  nitridisasi  dilakukan  di  laboratorium  metalurgi  Institut  Teknologi  Nasional  Malang. Untuk  pengujian  yang  dilakukan  yaitu  pengujian  distribusi  kekerasan,  pengamatan  foto  SEM  (scaning  electron microscope)  dan  pengujian  komposisi  kimia  EDS  (energi  dipersive  X-Rey  sprectroscopy).  Adapun  bahan  yang digunakan adalah besi cor nodular.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil Pengujian Distribusi Kekerasan
T ABEL 1. HASIL UJI DISTRIBUSI KEKERASAN PROSES NITRIDISASI SELAMA 2 JAM ,4 J AM , 6 J AM Kode Spesimen Jarak (µm) Kekerasan (HV) FDC 550 0 C 2 Jam 10µm 225,1 20µm 197,7 30µm 193,4 40µm 193,3 50µm 190,6 Kode Spesimen Jarak (µm) Kekerasan (HV) FCD 550 0 C 4 Jam 10µm 294,1 20µm 245,1 30µm 236,3 40µm 208,8 50µm 194,3 Kode Spesimen Jarak (µm) Kekerasan (HV) FCD 550 0 C 6 Jam 10µm 313,2 20µm 295,0 30µm 185,0 40µm 181,9 50µm 164,9

## Fig. 2. Grafik Hubungan Antara Kekerasan (HV) Dengan Jarak (µm)
Pada grafik 1  waktu penahanan (holding time) 6 jam  memiliki kekerasan permukaan paling tinggi  yaitu sebesar 313,2 HV jarak 10µm, Dimana dapat disimpulkan bahwa semakin  lama waktu holding maka kekerasan lapisan nitrida pada permukaan semakin tinggi. Pada grafik terlihat kekerasan paling tinggi berada pada permukaan spesimen dan menurun seiring dengan meningkatknya kedalaman pada lapisan nitridisasi. Hal ini disebabkan karena konsentrasi difusi dari atom nitrogen jauh lebih besar pada permukaan dibandingkan dengan difusi atom pada kedalaman tertentu.. Waktu penahanan (holding time) sangat berpengaruh pada nilai kekerasan dari difusi yang dihasilkan.

## Hasil Pengujian Kekerasan Permukaan (Rockwell Hardeness Tester)
TABLE I. H ASIL P ENGUJIAN K EKERASAN P ERMUKAAN Kode Spesimen Jumlah Titik Pengujian Keker asan (HV) Rata- rata (HV) FCD Sebelum Perlakuan Titik ke-1 185 195 HV Titik ke-2 200 Titik ke-3 190 Titik ke-4 200 Titik ke-5 200 Kode Spesimen Jumlah Titik Pengujian Keker asan (HV) Rata- rata (HV) FCD 550 0 C 2 Jam
Titik ke-1
210 218,6 HV Titik ke-2 216 Titik ke-3 222 Titik ke-4 222 Titik ke-5 222 Kode Spesimen Jumlah Titik Pengujian Keker asan (HV) Rata- rata (HV) FCD 550 0 C 4 Jam Titik ke-1
200 210,6 HV Titik ke-2 205 Titik ke-3 216 Titik ke-4 216 Titik ke-5 216 Kode Spesimen Jumlah Titik Pengujian Keker asan (HV) Rata- rata (HV) FCD 550 0 C 6 Jam
Titik ke-1
216 216 HV Titik ke-2 216 Titik ke-3 222 Titik ke-4 216 Titik ke-5 210

## Fig. 3. Grafik Hubungan Antara Kekerasan dengan Waktu Penahanan
Dari grafik 4.5 terlihat hasil pengujian yang didapatkan sebesar 2253 HV pada spesimen sebelum perlakuan, 2930,8 HV pada waktu penahanan 2 jam, 2700,6 HV pada waktu penahanan 4 jam dan 2854,6 HV pada waktu penahanan 6 jam. Dari  hasil  penelitian  didapatkan  nilai  kekerasan  permukaan  paling  tinggi  yaitu  pada  penahanan  2  jam  dengan  nilai kekerasan 2930,8 HV.

## H ASIL P ENGAMATAN SEM
Fig. 4. Gambar Hasil pengamatan SEM pembesaran 1000x tampak depan dengan waku nitridisasi 2 Jam
Fig. 5. Gambar Hasil pengamatan SEM pembesaran 1000x tampak depan dengan waktu nitridisasi 4 jam
Fig. 6. Gambar Hasil pengamatan SEM pemesaran 1000x tampak depan dengan waktu nitridisasi 6 jam
Dari  hasil  pengamatan  SEM  terlihat  pada  gambar  2  lapisan  nitrida  sudah  terbentuk  dengan  ketebalan  4,67µm.  Pada gambar 3 ketebalan lapisan nitrida sebesar 16,5µm dan Pada Gambar 4 ketebalan lapisan nitrida sebesar 20,0µm. Dimana dari  pengamatan  SEM  diatas  dapat  diambil  kesimpulan  bahwa  semakin  lama  waktu  penahanan  (holding  time)  maka ketebalan lapisan nitrida semakin tinggi.

## H ASIL P ENGUJIAN K OMPOSISI K IMIA (EDS)
TABLE II. H ASIL PENGUJIAN KOMPOSISI KIMIA (EDS) PADA PROSES NITRIDISASI DENGAN WAKTU 2 JAM
TABLE III. T ABEL H ASIL PROSES PENGUJIAN KOMPOSISI KIMIA (EDS) PADA PROSES NITRIDISASI DENGAN WAKTU 4 JAM

## TABLE IV. T ABEL H ASIL PROSES PENGUJIAN KOMPOSISI KIMIA (EDS) PADA PROSES NITRIDISASI DENGAN WAKTU 6 JAM
Dari hasil pengujian komposisi kimia (EDS) pada tabel 3 proses nitridisasi dengan waktu 2 jam didapatkan kandungan nitrogen sebesar 6,87%  maka dari teori yang dijelaskan diatas diperoleh senyawa Fe 2-3 N dari kandungan nitrogen 6,87%. Pada tabel 4 diperoleh kandungan nitrogen sebesar 5,60% lebih kecil dibandingkan dengan tabel 2. Sehingga senyawa kimia yang diperoleh menjadi Fe 4 N Pada Tabel 5 diperoleh kandungan nitrogen sebesar 15,04%. Kandungan nitrogen pada tabel 6 naik sebesar 9,44% ini disebabkan karena waktu penahanan (holding time) meningkat sehingga atom nitrogen bisa berdifusi maksimal dengan atom  besi  dan  bergerak  jauh  berdifusi  sampai  ke  inti  material  dan  kandungan  nitrogen  menjadi  meningkat  sehingga diperoleh senyawa Fe 2 N Dari hasil pembahasan diatas maka diperoleh senyawa Fe 2-3 N pada waktu penahanan 2 jam, Fe 4 N pada waktu penahanan 4 jam dan Fe 2 N pada waktu penahanan 6 jam

## KESIMPULAN
Dari hasil penelitian yang telah dilakukan diatas maka dapat disimpulkan sebagai berikut.
• Seiring  bertambahnya  waktu  penahanan  (holding  time)  maka  niali  kekerasan  difusi  lapisan  nitrida  yang diperoleh semakin tinggi.
• Dari  hasil  pengamatan  SEM  semakin  lama  waktu  penahanan  (holding  time)  maka  lapisan  nitrida  semakin meningkat.
• Dari  hasil  pengujian  komposisi  kimia  (EDS)  kandungan  nitrogen  paling  tinggi  terdapat  pada  spesimen  yang diproses nitridisasi dengan waktu holding 6 jam
• Pembahasan  diatas  diatas  maka  proses  nitridisasi  belum  mencapai  optimal  karena  kandungan  nitrogen  belum mencapai 20%.
R EFERENCES
[1] Arthur G, Birh D, dkk. 1986. wire Resistant Surfaces in Engineering . London : Crown Copyright.
[2] Lawrence H, Van Vlack. 1983. Ilmu dan Tenologi Bahan. Jakarta Pusat : Penerbit Erlangga.
[3] Rahardjo.Teguh. 2008. Proses Nitriding Untuk Peningkatan Sifat Mekanik Permukaan Materialdies. Jurnal Flywheel. Volume 1, Nomor 2.
[4] Rahayu ,Sri. dkk. 2017. Effects of Poweder Nitriding Process to Hardness and Diffision Layer Depth of High Speed Steel. Journal homepage. Vol 38. Nomor 1. http://www.jurnalmetal.or.id/index.php/jmi .
[5] Sujana.W,  A.Widi. K. 2016. Serbuk Alumina Sebagai Katalis Didalam Reaktor Fluidised Bed. Jurnal Flywheel. Volume 7, Nomor 1.
[6] Sujana. I Wayan. 1996. Karakterisasi Lapisan Nitrokarburisasi Dengan Menggunakan Reaktor Fluidised Bed. Tesis . UI.
[7] Sujana. I Wayan, Astana Widi. I Komang. Diktat Metalurgi Fisik. Institut Teknologi Nasional Malang.
[8] Zamzami  Putrayogi.  2017.  Pengaruh  Peran  Gas  Nitrogen  Pada  Proses  Nitridadi  Gas  Menggunakan  Dapur  Fluidised  Bed  Pada  Baja  Karbon Rendah. Skripsi. FTI. Teknik Mesin. Institut Teknologi Nasional Malang.