## Kekerasan Dari Lapisan Ti

## 1-x Zr x dan TiC pada Grafit yang Disiapkan dengan Metode PIRAC
Nur Muhaimin, Suasmoro Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail : suasm@physics.its.ac.id
Abstrak —Pelapisan  grafit  dengan  serbuk  titanium melalui  metode PIRAC ( Powder  Immersion  Reaction Assisted  Coating )  telah  berhasil  dilakukan  dengan  variasi temperatur  850 0 C,  900 0 C,  dan  950 0 C  selama  10  jam. Pelapisan  grafit  tanpa  penambahan  ZrO 2 menghasilkan lapisan TiC. Sedangkan pelapisan grafit dengan penambahan  ZrO 2 menghasilkan  lapisan  paduan  Ti 1-x Zr x . Lapisan  TiC  yang  dihasilkan  dari  penelitian  ini  memiliki kekerasan  yang  lebih  besar  dari  lapisan  paduan  Ti 1-x Zr x yang terbentuk dalam penelitian ini. Masing-masing lapisan memiliki  kekerasan  lebih  tinggi  dari  grafit  yang  dilapisi. Grafit yang digunakan memiliki kekerasan 45 HV. Lapisan TiC  yang  terbentuk  memiliki  kekerasan  rata-rata  sebesar 2504 HV. Lapisan paduan Ti 1-x Zr x yang terbentuk memiliki kekerasan rata-rata sebesar 282 HV.
Kata  Kunci —  Kekerasan,  lapisan  TiC,  lapisan  paduan Ti 1-x Zr x metode PIRAC , ZrO 2 .

## I. PENDAHULUAN
ada  dekade  ini  grafit  banyak  diaplikasikan  pada bidang  industri.  Aplikasi  grafit  misalnya  untuk pembuatan  roket  dan  reaktor  nuklir.  Pada  pembuatan roket,grafit  diaplikasikan  pada  temperatur  tinggi.  Pada kenyataannya  grafit  teroksidasi  pada  temperatur  di  atas 400 0 C  dalam  lingkungan  mengandung  oksigen  atau klorin  [1].  Selain  itu,  grafit  juga  mudah  tererosi (kekerasan  grafit  hanya  1-2  mho).  Oleh  karena  itu dilakukan  pelapisan  untuk  memperbaiki  sifat  grafit. Salah  satu  sifat  yang  perlu  diperbaiki  yaitu  tingkat kekerasannya.
Peningkatan  kekerasan  grafit  dapat  dilakukan  dengan cara  melapisi  permukaan  grafit  dengan  material refraktori.  Salah  satu  material  refraktori  yang  dapat dilapiskan  yaitu  dari  golongan  karbida,  misalnya  TiC (titanium  carbide).  TiC  sebagai  material  pelapis  telah digunakan  dalam  industry  karena  sifat  ketahanan  korosi yang  bagus,  tahan  aus,  dan  kekerasan  yang  tinggi.  TiC memiliki  titik  leleh  >  3000 0 C  dan  kekerasan  9  mho  [2]. Selain  TiC,  ZrO 2 juga  memiliki  tingkat  kekerasan  yang tinggi,  sekitar  6,5-7,5  mho  [3].  Diharapkan  dengan penambahan  ZrO 2 juga  dapat  meningkatkan  tingkat kekerasan grafit.
Berdasarkan literatur diperoleh bahwa proses pelapisan TiC  dapat  dilakukan  dengan  metode  CVD  (Chemical Vapor  Deposition),  PVD  (Physical  Vapor  Deposition) seperti  sputtering,  evaporasi,  dan  metode  PIRAC (Powder  Immersion  Reaction  Assisted  Coating)  [5]. Kelemahan dari proses CVD dan PVD yaitu adhesi yang rendah  antara  substrat  dan  lapisan,  yang  sering menghasilkan  delaminasi.  Sedangkan  metode  PIRAC merupakan  metode  difusi  yang  dapat  menghasilkan adhesi yang kuat antara lapisan dengan substrat.
Gambar 2. Skema dari lapisan non oksida keramik oleh reaksi serbuk metal, sampel keramik dibenamkan ke dalam serbuk metal [6]
Proses  vakum  untuk  pelapisan  pada  temperatur  tinggi merupakan  proses  yang  kompleks,  sehingga  untuk mempermudah proses pelapisan digunakan atmosfer gas. Berdasarkan  penelitian  sebelumnya  dilaporkan  bahwa proses  pelapisan  TiC  dapat  optimal  dalam  atmosfer  gas argon.  Yodium  dilibatkan  sebagai  katalis  karena  dari penelitian  sebelumnya  penelitian  tanpa  penambahan yodium dalam serbuk titanium tidak dapat menghasilkan lapisan TiC.
Berdasarkan  penjelasan  di  atas,  penelitian  ini dilakukan dengan metode PIRAC dalam waktu tahan 10 jam,  variasi  temperatur,  dan  variasi  perlakuan  pelapisan permukaan  grafit  sebelum  direaksikan  dalam  proses perlakuan  panas.  Selanjutnya  dapat  dianalisis  pengaruh beberapa variasi ini terhadap tingkat kekerasan lapisan.

## II. METODE PENELITIAN

## Tahap pembuatan sampel
Bahan  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  yaitu grafit,  kanji,  serbuk  ZrO 2 ,  titanium  metalik  powder  > 98%  dan  iodine  ‘sublimated  for  analysis’  yang  disuplai dari  Merck  serta  ZO-paint.  Peralatan  yang  digunakan dalam  penelitian  ini  yaitu  tabung  reaktor  yang  terbuat dari  stainless  steel  high  chrome  S45,  ‘gloves  box’  yaitu tempat  untuk  menyiapkan  sampel  berupa  kotak  plastik dan  pompa  vakum,  proses  heat  treatment  dalam  tube- furnace  dengan  atmosfer  argon  99,999%,  ultrasonic cleaner  Branson  1200,  mortar,  spatula,  dan  penjepit,
P
heater  untuk  tempat  mengolah  lem  kanji.  Untuk karakterisasi  XRD  digunakan  Bragg-Brentano  Pan Analytical X’pert X-Ray, untuk karakterisasi permukaan sampel  menggunakan  SEM  EVO  MA  10  Carl  Zeiss Microscopy,  untuk  uji  kekerasan  Vickers  menggunakan perangkat Micro Kekerasan Vickers Mitutoyo HM 211.
Pada  tahap  ini,  grafit  dipotong  berbentuk  balok sebanyak 2 buah dengan dimensi masing-masing 1x1x0,5 cm 3 dan  densitas  2,09-2,23  g/cm 3 .  Balok  grafit  diberi nama A dan B. Serbuk titanium ditimbang dengan massa 3,17 gram kemudian  ditambahkan  yodium  sebanyak  4% dari massa titanium. Selanjutnya kanji ditimbang dengan massa  0,5  gram.  Kanji  dicampurkan  ke  dalam  aquades sebanyak 20 ml lalu dipanaskan dalam heater selama 15 menit agar menjadi lem kanji. ZrO 2 ditimbang sebanyak 1  gram  dan  ditambahkan  ke  dalam  10  ml  lem  kanji kemudian diaduk hingga merata.
Serbuk titanium dan yodium yang telah ditimbang tadi dihaluskan  hingga  tercampur  merata.  Selanjutnya campuran  ini  diletakkan  dan  ditutup  dalam  alumunium foil.  Tabung  reactor  dan  sampel  grafit  dibersihkan dengan  ultrasonic  cleaner  selama  15  menit.  Kemudian tabung  reactor  dan  sampel  grafit  dikeluarkan  dan dikeringkan  di  lemari  pengering  selama  5  menit. Selanjutnya  campuran  lem  kanji  dan  ZrO 2 dilapiskan secara  merata  ke  permukaan  balok  grafit  B.  Untuk permukaan  balok  grafit  A  tanpa  dilapisi.  Setelah persiapan  selesai,  dimasukkan  kedua  balok  grafit, campuran serbuk titanium dan yodium, 2 tabung reactor, ZO-paint, penjepit, dan spatula ke dalam gloves box.
Satu  lubang  di  glove  box  dihubungkan  ke  tabung  gas argon  dan  satu  lubang  lainnya  dihubungkan  ke  pompa vakum.  Selanjutnya  udara  dalam  gloves  box  dipompa keluar dengan pompa vakum, diulangi 5 kali. Kemudian dialirkan  gas  argon  ke  dalam  glove  box  untuk  membuat atmosfir argon dalam glove box, diulangi sebanyak 5 kali untuk  meminimalisir  adanya  oksigen  dalam  gloves  box. Sebelumn gas dialirkan ke dalam gloves box, dipastikan terlebih  dahulu  gloves  box  tidak  mengalami  kebocoran. Lalu dimasukkan campuran serbuk titanium dan yodium ke  dalam  salah  satu  tabung  reactor  hingga  kira-kira memenuhi  1/3  tinggi  tabung  reaktor.  Kemudian  balok grafit  A  dimasukkan  dan  dilanjutkan  dengan  campuran serbuk  titanium dan  yodium  hingga  tabung  reactor  terisi penuh.  Kemudian  tabung  reactor  ditutup  rapat  dan disegel  (sealed)  dengan  ZO-paint  pada  penutupnya sehingga  menghindari  adanya  kontak  dengan  oksigen. Selama  tahap  persiapan  ini,  tetap  dialirkan  gas  argon  ke dalam  gloves  box  untuk  mempertahankan  atmosfer argon.
Setelah  persiapan  dalam  gloves  box,  kemudian dilakukan  proses  perlakuan  panas.  Perlakuan  panas dilakukan dengan suhu 950 0 C dalam atmosfer gas argon seperti  dalam  gloves  box.  Untuk  lebih  meyakinkan bahwa  tube-furnace  bebas  dari  oksigen,  sebelum  proses perlakuan  panas  dimulai,  gas  argon  dialirkan  terlebih dahulu  ke  dalam  tube-furnace  selama  15  menit. Perlakuan panas ini dilakukan dalam waktu tahan selama 10  jam.  Adapun  variasi  suhu  yang  dilakukan  yaitu 850 0 C, 900 0 C, 950 0 C.

## Karakterisasi sampel
Karakterisasi  kekerasan  pada  lapisan  dengan metode  kekerasan Vicker’s seperti  pada  Gambar  3 berikut.
Gambar 3. Ilustrasi indentasi (a) pada lapisan

## III. HASIL DAN DISKUSI
Setelah  tahap  sintesis  selesai  diproses,  kemudian dilakukan  pengujian  kekerasan  menggunakan  metode kekerasan Vicker’s .  Pada  mulanya,  digunakan  variasi beban  uji  indentasi  sebesar  0,5  kgf  pada  substrat  grafit. Dari  pengujian  ini  diperoleh  nilai  kekerasan  grafit sebesar 45 HV. Nilai kekerasan substrat yang digunakan dalam  penelian  ini  sesuai  dengan  nilai  kekerasan  grafit yang berada pada rentang 27 HV sampai 61 HV.
Selanjutnya  dilakukan  pengujian  pada  lapisan  sampel A  untuk  variasi  temperatur  950 0 C  dengan  beban  uji sebesar  0,5  kgf.  Dari  pengujian  ini  diperoleh  nilai kekerasan  lapisan  sebesar  2504  HV.  Nilai  kekerasan  ini mengindikasikan bahwa lapisan yang terbentuk merupakan  lapisan  TiC  sesuai  dengan  hasil  penelitian oleh  López  dan  kawan-kawan  pada  tahun  2007.  Nilai kekerasan  ini  membuktikan  bahwa  lapisan  TiC  yang terbentuk memiliki nilai kekerasan yang jauh lebih besar dari nilai kekerasan pada grafit, yaitu sekitar 56 kali lipat. Kedalaman  indentasi  sebesar  2,8031  µm  sedangkan ketebalan lapisan rata-rata sebesar 297,3 µm. Kedalaman indentasi ini mengkonfirmasi bahwa nilai kekerasan yang dihasilkan  murni  hasil  dari  pengujian  pada  lapisan  TiC yang  terbentuk  pada  sampel  A.  Adapun  nilai  kekerasan yang  meningkat  ini  disebabkan  karena  TiC  merupakan bahan  keramik  yang  memiliki  ikatan  ionik  sebagai penyusunnya.
Gambar  4  menggambarkan  contoh  kondisi  sampel setelah dikenai uji kekerasan Vicker’s .
Gambar  4. Bekas  indentasi  hasil  uji  kekerasan Vickers pada sampel A dengan beban uji 0,5 kgf
Berdasarkan  Gambar  4  diperoleh  data  untuknilai diagonal  1,  diagonal  2,  dan  nilai  kekerasan  dari  sampel A.  Data  tersebut  digunakan  untuk  menentukan  nilai kedalaman  indentansi  (δ)  dan  kedalaman  indentansi ternormalisasi  (β).  Sampel  A  memiliki  tebal  rata-rata lapisan TiC t = 12,83μm, diperoleh nilai diagonal 1, d1 = 56,2 μm, diagonal 2, d2 = 66,84μm, dan nilai kekerasan
HV  =  244,9  HV.  Untuk  lebih  memperjelas  proses perhitungan, maka diberikan contoh perhitungan sebagai berikut:
Dari  data  diagonal  rata-rata  d  diperoleh  nilai  δ  dan  β sebagai berikut.
Perhitungan  nilai  kekerasan  yang  dihasilkan  dari  uji kekerasan Vicker’s dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan berikut:
Pengujian  terakhir  dilakukan  pada  sampel  B  dengan variasi  temperatur  900 0 C.  Pengujian  dilakukan  dengan menggunakan  beban  uji  sebesar  0,2  kgf.  Dari  pengujian ini  dihasilkan  kedalaman  indentasi  sebesar  5,89  µm. Sedangkan  ketebalan  rata-rata  lapisan  Ti 1-x Zr x yang terbentuk pada Sampel B sebesar 91 µm mengindikasikan  bahwa  indentasi  hanya  mengenai bagian lapisan saja.
Dari  pengujian  diperoleh  nilai  kekerasan  lapisan sebesar  282  HV.  Sesuai  dengan  penelitian  yang dilakukan  oleh  Ho  dan  kawan-kawan  pada  tahun  2008 yang menghasilkan nilai kekerasan paduan Ti-Zr sebesar 266  HV  (Ti-10Zr)  sampai  350  HV  (Ti-40Zr).  Lapisan Ti 1-x Zr x yang  terbentuk  dalam  penelitian  ini  memiliki nilai  kekerasan  6,63  kali  lipat  dibanding  substrat  grafit. Hasil  metode  refinement  Rietveld  mengkonfirmasi bahwa penambahan Zr menyebabkan distorsi dalam sel
satuan.  Ini  dikarenakan  perbedaan  jari-jari  atomic  Zr (1,616 Å)  dan  Ti  (1,475  Å),  dimana  ketika  atom  Zr masuk  sebagai  unsur  substitusi  dalam  kisi  kristal  Ti, dapat menyebabkan peningkatan parameter  kisi. Adanya unsur  substitusi  sepanjang  distorsi  kisi  kristal  dapat menyebabkan  masalah  pada  perpindahan  atom  sehingga mempengaruhi  sifat  mekanik  bahan,  termasuk  nilai kekerasan bahan.

## IV. KESIMPULAN
Penambahan ZrO 2 pada pelapisan grafit dengan serbuk titanium  melalui  metode  PIRAC  menghasilkan  lapisan paduan  Ti 1-x Zr x ,  sedangkan  tanpa  penambahan  ZrO 2 menghasilkan  lapisan  TiC.  Lapisan  TiC  yang  dihasilkan dari  penelitian  ini  memiliki  kekerasan  yang  lebih  besar dari  lapisan  paduan  Ti 1-x Zr x yang  terbentuk  dalam penelitian ini. Masing-masing lapisan memiliki kekerasan lebih tinggi dari grafit yang digunakan. Grafit yang digunakan memiliki kekerasan 45 HV. Lapisan TiC yang  terbentuk  memiliki  kekerasan  rata-rata  sebesar 2504  HV.  Lapisan  Ti 1-x Zr x yang  terbentuk  memiliki kekerasan rata-rata sebesar 282 HV.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  kepada  Tuhan Yang  Maha  Esa,  kedua  orang  tua,  Bapak  Prof.  Dr. Suasmoro,  DEA  selaku  dosen  pembimbing  sekaligus penyandang dana dan riset, seluruh elemen pengajar dan staf jurusan Fisika, serta teman-teman Penulis yang telah memberikan  dukungan  dan  motivasi  kepada  Penulis dalam melakukan penelitian ini.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Becker,  P.,  Glenk,  F.,  Kormann,  M.,  Popovska,  N., Etzold,  B.J.M.,  2010. Chlorination  of  titanium carbide for the processing of nanoporous carbon: A kinetic  study .  Chem.  Eng.  J.  159,  236–241. doi:10.1016/j.cej.2010.02.011.
[2] Pierson,  H.O.,  1996. Handbook  of  Refractory Carbides  &  Nitrides:  Properties,  Characteristics, Processing and Apps. William Andrew.
[3] Chiang,  Y.-M.,  Birnie,  D.P.,  Kingery,  W.D.,  1996. Physical  Ceramics:  Principles  for  Ceramic  Science and Engineering . Wiley.
[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Titanium_carbide.
[5] Yin,  X.,  Gotman,  I.,  Klinger,  L.,  Gutmanas,  E.Y., 2005. Formation of titanium carbide on graphite via powder immersion reaction assisted coating. Mater. Sci.  Eng.  A  396,  107–114.  doi:10.1016/j.msea. 2005.01.011.
[6] Gutmanas,  E.Y.,  Gotman,  I.,  Kaysser,  W.,  1992. Coating  of  non-oxide  ceramics  by  interaction  with metal  powders. Mater.  Sci.  Eng.  A  157,  233–241. doi:10.1016/0921-5093(92)90030-5
d = (d1 + d2) 2
d = (56,2 μm + 66,84 μm)
2
d = 61,52μm d = 61,52 x 10 -3 mm
δ = d 7 δ = 61,52 μm 7 δ = 8,79μm β = δ t β = 8,79μm 12,83 μm β = 0.69
𝐻𝑣 = 2𝐹 sin( 𝜃 2 ) 𝑑 2 𝐻𝑣 = 2(0,5) sin ( 136 2 ) 𝑘𝑔𝑓 (61,52 𝑥 10 −3 ) 2 𝑚𝑚 2 𝐻𝑣 = 244,981 𝑘𝑔𝑓 𝑚𝑚 2 𝐻𝑣 = 244,98 𝐻𝑉