## PENGARUH VARIASI WAKTU SHOT PEENING TERHADAP STRUKTUR MIKRO DAN KEKERASAN PERMUKAAN PADA MATERIAL IMPLAN AISI 304
Trio Nur Wibowo 1 , Priyo Tri Iswanto 1 , Bambang Hari Priyambodo 1 , Nur Amin 1
1 Department of Mechanical and Industrial Engineering, Gadjah Mada University Jl. Grafika No. 2, Yogyakarta, 55281, Indonesia
Email: trio.nur.w@ugm.ac.id

## ABSTRACT
AISI  304  stainless  steel  is  a  type  of  implant  material  with  a  relatively  low  cost.  However,  its mechanical properties need to be improved so it can compensate the AISI 316L and titanium alloy materials. Fatigue characteristic is also one of the important criteria that must be evaluated in order to  achieve  overall  service  performance  when  the  material  is  under  dynamic  loads.  The  hardness surface and the nano-structures formation can delay the propagation of fatigue crack initiation and can reduce the corrosion rate. This study is conducted to determine the changes in microstructure and hardness of AISI 304 for shot peening process. The surface treatment by shot peening process is performed by setting the variation of the shooting time of 0, 5, 10, 20, 30 and 40 minutes at a shooting pressure of 7 bar using the Steel Shot diameter of 0.6 mm with a hardness of 40-50 HRC. The distance between the nozzle and the specimen surface is set at 100 mm. The microstructure is analyzed by optical microscope with a magnification of 100 times and photographed using optilab, which is connected to a computer. Surface hardness is tested using a Micro Vickers with indentation load of 10 grams for 10 seconds. The results show that refined microstructure layer is formed in the shot peening surface and the hardness is also increased gradually as well as shot peening time of 0, 5, 10, 20, 30 and 40 minutes. This also increase the hardness number of 241, 404, 418, 437, 481 and 496 VHN. To sum up, the shot peening can be used to refine the grain and to increase the hardness.
Keywords: AISI 304, shot peening, microstructure, Vickers hardness

## PENDAHULUAN
Material  implan  merupakan  suatu  alat bantu yang digunakan untuk menyambung tulang yang patah. Penggunaan material implan sebagai endoprostetik pada tubuh  manusia  mensyaratkan biokompatibilitas  yang  baik,  kuat,  dan  tahan terhadap  korosi,  khususnya  dalam  media  cairan tubuh.  Logam  tersebut  tidak  boleh  melepaskan ion- ion yang bersifat racun atau karsinogen bagi sel dan tubuh manusia [1]. Reaksi korosi material implan  dapat  menimbulkan  reaksi  peradangan (inflamasi) di  sekitar  jaringan  yang  diimplankan sehingga apabila digunakan dalam jangka  waktu lama akan sangat berbahaya bagi tubuh [2].
AISI 304 merupakan salah satu   material baja    tahan    karat    yang    digunakan    untuk implant  dengan  harga  relatif  lebih  murah dibandingkan  material  implan  lainnya,  serta banyak  ditemukan  di  pasaran.  Namun  demikian sifat  mekanis  dan  ketahanan  korosinya  perlu dioptimalkan,  minimal  mendekati  sifat  paduan logam  berbasis  cobalt  dan  titanium.  Perlakuan permukaan  merupakan  salah  satu  metode
peningkatan  sifat  mekanis,  diantaranya  dengan metode shot peening . Shot peening merupakan proses perlakuan  permukaan  menggunakan  bola-bola baja  yang  ditembakan  dengan  kecepatan  tinggi pada  permukaan      logam      dengan      kondisi terkontrol, dimana  proses  ini  ditujukan  untuk menghasilkan deformasi plastis dan memberikan compressive residual stress pada permukaan [3]. Shot peening dapat memberikan efek meningkatnya  kekerasan,  kerapatan    butir    dan jarak    interplanar    dari    kisi    kristal    sehingga dapat  menghambat  laju  rambat retak mikro [4- 5].  Berdasarkan  penjelasan  tersebut,  penelitian ini    bertujuan    untuk    mempelajari  pengaruh proses shot peening pada AISI 304. Suatu lapisan baru  diharapkan  akan  terbentuk  pada  AISI 304, selanjutnya  akan  dianalisis  pengaruh  terhadap sifat    dari   AISI   304   ditinjau  dari   kekerasan, dan struktur mikro untuk aplikasi material implan alternatif.

## METODOLOGI Preparasi spesimen
Spesimen    menggunakan    material    AISI 304.  Permukaan    spesimen    dihaluskan menggunakan amplas  dan  dipoles  dengan metal polish sehingga  didapatkan  permukaan  yang halus dan  mengkilat.  Spesimen  direndam  dalam cairan  alkohol  selama  kurang  lebih  15  menit selanjutnya dikeringkan dan siap untuk dilakukan shot peening .

## Shot peening
Proses shot  peening pada  penelitian  ini menggunakan      lima      variasi      waktu penembakan  yaitu  5,  10,  20,  30  dan  40  menit dengan mengatur tekanan  kompresor  sebesar  7 bar  serta menggunakan steel shot berukuran 0,6 mm  dengan  kekerasan steel  shot sebesar  40-50 HRC.  Jarak  tembak  antara nozzle dengan permukaan spesimen berjarak 100 mm.
Gambar 1. Skema proses shot peening

## Uji komposisi
Pengujian        komposisi        menggunakan alat Desktop  Metals  Analyser dengan  merk Metalscan 2500  series. Pengujian  ini  dilakukan untuk  mengetahui  kandungan  komposisi  dari spesimen sebelum dilakukan shot peening . Hasil dari  pengujian  komposisi  dari  logam  induk  ini dijadikan  acuan untuk menentukan  jenis spesimen dan parameter dalam pengujian.

## Pengamatan struktur mikro
Pada    pengamatan struktur    mikro, pengujian dilakukan pada  penampang  melintang spesimen hasil  uji shot  peening .  Pengujian  ini bertujuan untuk    melihat    perubahan   struktur mikro      yang  terjadi      pada      spesimen      akibat perlakuan shot peening. Spesimen  dihaluskan menggunakan amplas dan finishing menggunakan metal  polish hingga  permukaan kembali    mengkilat    tanpa  goresan.  Selanjutnya spesimen  dietsa  sehingga  terjadi  korosi  pada batas  butir.  Spesimen  kemudian  diamati  dengan mikroskop optik dengan perbesaran 100 kali dan difoto  menggunakan  optilab  yang  dihubungkan dengan  komputer. Hasil  dari  foto struktur mikro disimpan dalam bentuk gambar.

## Uji kekerasan
Pengujian  kekerasan  menggunakan micro Vickers hardness tester ,  dengan  beban  indentasi 10  gr,  waktu  10  detik.  Kemudian  diukur  bekas indentasinya dan dihitung kekerasannya. Pengujian kekerasan akan menganalisa perbandingan  hasil  kekerasan  antara    spesimen non-treatment dengan  spesimen  yang  sudah dilakukan shot peening . Nilai kekerasan Vickers dapat dinyatakan dengan dengan rumus[6] :
𝑉𝐻𝑁 = 2. 𝑃. sin ( 𝜃 2 ) 𝑑 2 = 1,854 𝑃 𝑑 2
Dimana :
VHN    = Nilai kekerasan spesimen (kg/mm 2 ) P = Beban terpasang (kg) d           = Biameter rata-rata bekas injakan indentor (mm) θ = Sudut piramida intan (136 0 )
Gambar 2.  Skema pengujian Vickers [7]

## HASIL DAN PEMBAHASAN Komposisi
Hasil uji komposisi disajikan pada Tabel 1. yang  menunjukkan  bahwa  material  awal sebelum  dilakukan  proses shot  peening adalah AISI 304.
Tabel 1.  Komposisi paduan stainless steel 304 (%)

## Hasil uji struktur mikro
Pengujian  ini  dilakukan  untuk  mengetahui bentuk struktur mikro akibat proses shot peening. Spesimen yang telah dietsa ketika dilihat melalui mikroskop  akan  terlihat  butiran-butiran  struktur mikro dari spesimen uji. Hasil pengujian struktur mikro  spesimen stainless  steel 304  seperti  yang ditunjukkan pada Gambar 3.a. dan 3.b.
(a)

## (b)
Gambar 3. struktur mikro pada spesimen
Gambar  3.a  menunjukan  struktur  mikro pada  spesimen  dengan  perlakuan shot  peening selama  5  menit,  dimana  pengecilan  struktur mikro  terjadi  sampai  kedalaman        95  μm  dan Gambar  3.a  menunjukan  struktur  mikro  pada spesimen dengan perlakuan shot peening selama 20  menit,  dimana  pengecilan    struktur    mikro terjadi    sampai  kedalaman  158  μm  20  menit. Dapat disimpulkan bahwa kedalaman perubahan struktur  mikro  sangat  tergantung  pada  lama waktu proses shot peening , semakin lama proses shot  peening semakin  dalam  perubahan struktur mikro yang terjadi.

## Hasil uji kekerasan Hasil uji kekerasan permukaan
Penelitian  ini  dilakukan  dengan  5  variasi lama proses shot peening (5, 10, 20, 30 dan 40) menit.  Perbandingan nilai  kekerasan permukaan AISI  304  sebelum  dan  setelah  dilakukan shot peening ditampilkan  dalam  bentuk  grafik  pada Gambar.4.
Hasil   uji   kekerasan   menunjukkan   bahwa proses shot peening dapat  meningkatkan kekerasan permukaan AISI 304. Nilai kekerasan tertinggi  terjadi  pada  waktu  penembakan  40 menit  yang  ditunjukkan    dengan    hasil    uji kekerasan   sebesar 495.89HV,    sehingga    dapat    meningkatkan kekerasan  sebesar  97%  dari  sepesimen  sebelum di shot  peening . Semakin  lama  proses shot peening, kekerasan  permukaan  juga  semakin meningkat.  Peningkatan  kekerasan  permukaan diakibatkan  adanya  tegangan  sisa  tekan  yang dihasilkan  selama  proses shot  peening, hal  ini disebabkan adanya peningkatan deformasi plastis yang  terjadi  pada  permukaan  spesimen  setelah proses shot peening sehingga dapat menimbulkan kerapatan  dislokasi.  Semakin  besar    deformasi plastis  yang  diberikan, maka akan menyebabkan bertambahnya dislokasi yang   akan   membentuk interaksi  antar  dislokasi yang satu dengan yang lainnya.  Interaksi  ini  menyebabkan  kerapatan dislokasi  yang  tinggi  terutama  pada  batas butirnya  dan  akan  saling  menghambat,  sehingga dapat  menimbulkan  efek  pengerasan  regangan ( strain hardening effect ) [7].
Pada  gambar  4  juga  menunjukan  nilai kekersan  optimum  saat  proses shot  peening diperoleh pada waktu 5 menit. Sedangkan setelah waktu 5 menit peningkatan kekerasan permuakaan spesimen tidak terlalu signifikan, hal ini  karena  setelah  perlakuan shot  peening sudah terjadi pengerasan regangan permukaan spesimen dari  proses shot  peening sebelumnya.    Dimana diketahui      bahwa      tekanan  kerja  dan  diameter bola-bola baja yang digunakan konstan, sehingga seiring  dengan  waktu  energi  kinetik  yang dihasilkan  oleh  bola-bola  baja  yang  ditembakan kepermukaan spesimen  sudah  tidak  mampu  lagi membuat  identasi-identasi  yang  menghasilkan deformasi  plastis  yang  sama  besar  pada permukaan  saat  spesimen  sebelum  dilakukan perlakuan permukaan dengan shot peening.

## Hasil uji kekerasan melintang
Selain    pengujian  kekerasan    permukaan, juga  dilakukan  pengujian  kekerasan  pada potongan  melintang.  Pengujian  ini  dilakukan untuk mengetahui tebal lapisan yang terpengaruh shot  peening dan  kekerasan  dari  permukaan sampai kedalaman tertentu. Data hasil pengujian kekerasan melintang spesimen stainless steel 304 ditunjukkan pada gambar 5.
Nilai  distribusi  kekerasan  pada  potongan melintang  spesimen  SS  304  ditunjukkan  pada Gambar  5,  indentasi  pertama  dilakukan  pada jarak 15   µm   dari   sisi   yang   terkena   perlakuan shot  peening dan  pengujian  dilakukan  hingga jarak  150  µm    dari    permukaan    yang    terkena shot  peening .
*)  nilai kekerasan pada jarak 0 µm merupakan nilai kekerasan permukaan
Gambar 5. Grafik distribusi nilai kekerasan pada penampang  melintang material SS 304 setelah perlakuan shot peening
Data    menununjukan  terjadi    penurunan kekerasan seiring dengan semakin jauh jarak dari permukaan  yang  diberi  perlakuan shot  peening . Hal  ini  disebabkan  tekanan  yang  diterima  pada bagian  permukaan  lebih  besar  dan  semakin mengicil pada bagian yang lebih dalam, sehingga struktur  pada  permukaan  lebih  kecil.  Hal  ini berakibat  pada  tingkat  kekerasan  yang  semakin menurun pada area yang lebih dalam. Pengujian kekerasan  pada  penampang  melintang  hingga hingga  jarak  150  µm  hampir  mendekati  nilai kekerasan  mikro raw  material spesimen,  yaitu sebesar 130,17 kg/mm 2 .

## KESIMPULAN
Shot  peening dapat  digunakan  untuk memperhalus  struktur  mikro  dan  meningkatkan
kekerasan.  Semakin  lama  proses shot  peening semakin  dalam  pengecilan  struktur  mikro  dan semakin meningkat pula nilai kekerasan permukaannya.
REFERENSI [1] Syarif          Junaidi,          2009,          “Biomaterial Berbasis Logam”, http://www.infometrik.com /biomaterial- berbasis-logam/Aplikasi Teknologi Featured, Material Sains. Diakses November 2015.
[2] Manivasagam      G,      Dhinasekaran      D, Rajaminickam      A.        2010.      “Biomedical implants:  corrosion  and  its  prevention  –  a review”. Recent Patents on Corrosion Science 2: 40-54.
[3] Benedetti,  M.,  Fontanari,  B.  Winiarski, P.J. Withers, M.  Allahkarami, J.C. Hanan., 2015, Fatigue  Behavior  of  Shot  Peened  Notched Specimens: Effect  of       The  Residual  Stress Field  Ahead  of  The  Notch  Root, Procedia Engineering  109, pp.  80-88, Elsevier.
[4] Dalaeia,  K.,  Karlssona,  B.,  Svensson,  L.E., 2010,  Stability  of  Residual  Stresses  Created by  Shot  Peening of  Pearlitic  Steel and  Their Influence  on  Fatigue  Behaviour, Procedia Engineering 2, pp. 613–622, Elsevier.
[5] Zhan, K., Jiang, C. H., Wu, X. Y. and Ji, V., 2012,  Surface  Layer  Characteristics  of S30432  Austenite Stainless  Steel  after Shot Peening, Materials   Transactions , Vol. 53, No. 5, pp. 1002-1006, Elsevier.
[6] ASM  Metals  HandBook  Volume  8,  2000, Mechanical Testing and Evaluation.Feng,
[7] Q.,  Jiang,  C.,  and  Xu,  Z.,  2014,  Residual
Stress Relaxation of Shot-Peened Deformation    Surface    Layer  on    Duplex Stainless    Steel    Under    Applied    Loading, JMEPEG, pp. 408–412, Elsevier.