## KARAKTERISTIK DAN HASIL NITRIDISASI STAINLESS STEEL TIPE 316L DENGAN DAPUR FLUIDISED BED
I Komang Astana Widi
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Nasional Malang Kampus 2 Jl. Karanglo Km.2 Malang aswidi@yahoo.com

## ABSTRACT
The investigation of 316L austenitic stainless steel with nitriding used laboratory scale of fluidized bed reactor has been done. Nitriding temperature treatment is 500 C with variable process as 1, 3 and 6 hours. Then, this investigation used matalography (Scanning Electron Microscope) showed that AISI 316L is formed nitride hard layer on the surface. This nitride hard layer as advanced of austenite as S phase. This layer is formed in one hour as less effective. The profile of hardnes value is showed that tend increase in longer time processing.
Keyword : stainless steel, fluidised bed, nitridingi, SEM.

## PENDAHULUAN
Salah  satu  tuntutan  terhadap pengembangan  sains  dan  teknologi  bahan adalah  kebutuhan  material  dasar  untuk peralatan teknologi yang akan dikembangkan dengan  sejumlah  sifat-sifat  yang  sangat spesifik. Beberapa  komponen-komponen otomotif  sangat  membutuhkan  sifat-sifat kombinasi  diantaranya  ketahanan  terhadap keausan,  keuletan  dan  ketahanan  terhadap korosi  yang  tinggi  sehingga  dapat meningkatkan  umur  pakai  komponen tersebut. Namun, untuk memperoleh material dengan  sifat-sifat  tersebut  umumnya  sangat sulit ditemukan dipasaran, dimana jika suatu material  memiliki  sifat  dengan  tingkat kekerasan  yang  tinggi  maka  sifat-sifat lainnya  seperti  keuletan dan  ketahanan korosi  yang  tinggi  tidak  dapat  dipenuhi. Kalaupun  ada  material  dengan  sifat-sifat tersebut,  pastilah  harganya  sangat  mahal. Artinya  harga  komponen  juga  akan  sangat mahal  sehingga  daya  beli  masyarakat  akan berkurang.  Pada  penelitian  ini,  penulis mencoba  untuk  memberikan  alternatif  lain yaitu  dengan  meningkatkan  sifat-sifat material yang ada
dipasaran  (stainless  steel  tipe  316L) menggunakan  proses  perlakuan  permukaan (nitridisasi). Untuk  alasan  tersebut  stainless  steel tipe  316L  merupakan  logam  yang  memiliki sifat  dasar  yang  baik  seperti  non  magnetis, ulet, tahan impak, tangguh dan tahan korosi. Namun  sangat  disayangkan  pada  baja tersebut  menampakan  sifat tribologi (ketahanan gesekan permukaan) yang kurang baik.  Perlakuan  permukaan  dengan  proses nitridisasi  secara  konvensional  (seperti, salt bath  nitriding ),  untuk  meningkatkan karakteristiknya tidak dapat diberikan karena pada  stainless  steel  akan  mengakibatkan hilangnya  sifat  ketahanan  korosi  awal  yang dimilikinya sebagai akibat metode konvensional yang membutuhkan temperatur yang cukup tinggi dan waktu perlakuan yang lama. Berkurangnya  ketahanan  korosi  pada stainless  steel  merupakan  suatu  kegagalan ( failure ). Disamping itu, stainless steel akan menjadi rapuh ( embritlement ) jika digunakan atau diberi perlakuan pada temperatur tinggi. Kegagalan ini disebut dengan sensitasi. Untuk memenuhi material seperti diinginkan diatas,  maka  penulis  mencoba  memberikan proses  pengerasan  permukaan  dengan menggunakan  dapur  fluidized  bed  dimana baja  tahan  karat diperkaya  dengan  atom  N
hasil  dekomposisi  dari  gas  nitrogen  dan ammonia  diharapkan  dapat  memberikan ketebalan  karakteristik  material  logam dengan membentuk lapisan permukaan yang sangat  keras  dan  sangat  tipis.  Sedangkan, sifat-sifat  yang  terdapat  pada  bagian  sub- surface  dapat  tetap  dipertahankan  (seperti  : keuletan dan ketahanan korosi yang tinggi). Adapun  alasan  mengapa  dapur fluidized  bed  akan  memberikan  keuntungan diatas antara lain karena permukaan material dipanaskan  lebih  cepat,  menghasilkan pengaruh  daerah  panas  yang  kecil, kecermatan pada pengontrolan saat perlakuan  permukaan  dan  pada  saat  proses perlakuan  tidak  berkontaminasi  dengan udara luar. Dengan  proses  tersebut  dimana diharapkan  dapat  meningkatkan  sifat-sifat mekanis  permukaan  material  stainless  steel tanpa  mengurangi  sifat-sifat  dasar/awal stainless steel.
Telah  kita  ketahui  bahwa  benda- benda  seperti  logam  besi  dan  baja  lambat laun  kandungan  besinya  semakin  menipis karena  terjadi  oksidasi  dengan  udara  pada logam-logam  tersebut. Oksidasi  ini begitu hebatnya  terjadi,  sehingga  membuat  benda tersebut  menjadi  jelek  bentuknya  fenomena ini  disebut  dengan  korosi.  Untuk  menjadi agar  benda-benda  logam  tersebut  tidak berkarat  ( corosion ),  maka  dapat  digunakan pelapis  yang  dapat  menahan  karat.  Namun, ketahanan  terhadap  korosi  tidak  bertahanan lama karena lapisan tidak berdifusi kedalam material  dasar/komponen.  Metode  lain  yang dapat diterapkan adalah dengan menggunakan  material  baja  tahan  karat ( stainless steel ) sebagai komponen. Keistimewaan  stainless  steel  ialah kesanggupannya  membentuk  lapisan  oksida (Cr x O y )  pada  permukaannya  sehingga mencegah  terjadinya  oksidasi  lanjut  (yang terjadi terus menerus) dimana dapat merusak logam  tersebut  sampai  kedalam.  Lapisan tipis ini melekat kuat pada permukaan benda kerja.  Kalau  lapisan  tipis  ini  kita  pecahkan atau kita kikis, maka dengan cepat pula akan terjadi lagi lapisan-lapisan tipis hasil oksidasi dan oksidasi ini akan berlangsung terus. Baja
tahan  karat  mempunyai  daya  tahan tersendiri,  karena  logam  ini  mempunyai paduan  unsur  yang  istimewa  sekali  yaitu unsur  kromium  dan  sedikit  nikel,  yang merupakan  paduan  yang  cukup  homogen, sehingga  cukup  tahan  terhadap  karat.  Baja tahan karat martensit merupakan paduan baja yang  tahan  terhadap  korosi  dan  dapat dikeraskan  dengan perlakuan  panas.  Untuk memperbaiki  baja  tahan  karat  jenis  ini, biasanya  unsure  karbon  ditambahkan kedalam  system  biner  besi-khrom  untuk menghasilkan  suatu  paduan.  Unsure  karbon ini  akan  memperluas  daerah  austenit sehingga memungkinkan terjadinya transformasi  dari  austenit  menjadi  martensit seperti yang terjadi pada baja karbon biasa. Perlakuan
permukaan sangat bervariasi tergantung pada tujuan yang ingin dicapai.  Perlakuan  permukaan  umumnya ditujukan antara lain untuk :
 Meningkatkan  ketahanan  aus  dengan jalan  memperkeras  atau  memberi lapisan  yang  keras  pada  bagian permukaan logam.
 Meningkatkan  ketahanan  korosi  tanpa merubah  karakteristik  sifat-sifat  logam yang  permukaannya  diberi  perlakuan permukaan.
 Meningkatkan unjuk rupa ( performance )  logam  dari  suatu komponen  untuk  maksud-maksud fabrikasi.
Karakteristik Fluidised Bed Karakteristik  yang  penting  dalam dapur fluidised  bed adalah  perpindahan panas  yang  menghasilkan  efisiensi  yang tinggi.  Gejala  fluidisasi  disebabkan  oleh partikel  oksidasi  inert  (alumina  atau  pasir silika)  halus,  kering  dan  bertingkah  laku seperti  zat  cair,  dimana  partikel  yang  satu dengan  yang  lainnya  akan  terpisah  oleh  gas yang  bergerak  melewati bed. Suatu  dapur fluidised bed gas dapat ditinjau sebagai fasa padatan  selama  menunjukkan  batas  atas butiran-butiran  alumina  yang  jelas  (belum terdapat aliran gas). Jika kecepatan aliran gas terlalu  tinggi,  dimana  batas  atas  butiran- butiran  alumina  tidak  tampak  jelas,  maka
dalam  kondisi  demikian  padatan  akan terlempar dari dapur oleh aliran gas. Meskipun  sifat  partikel  padatan  itu sendiri  menentukan  mutu  dari  fluidisasi, banyak  faktor  yang  mempengaruhi  jumlah dari  campuran  padatan  yang  mempunyai sifat tidak sejenis di dalam bed . Faktor-faktor ini termasuk : ukuran bed , jumlah aliran gas dan jenis dari gas yang digunakan. Adapun tahapan tersebut antara lain :
 Tahap fixed bed
Pada  tahap  awal  dimulainya  proses, dimana kecepatan aliran gas relatif rendah di dalam bed , kecepatan alir gas akan semakin meningkat  sebanding  dengan  penurunan tekanan dan akan mencapai nilai maksimum pada Δρ  max. Dengan  meningkatnya kecepatan  alir  gas,  maka  partikel-partikel alumina  akan  saling  tidak  kontak  akibat adanya  aliran  gas  yang  melewati  butiran sehingga  butiran-butiran  tersebut  akan bergerak seperti cairan ( fluida ).  Tahap fluidised bed Meskipun  aliran  gas  meningkat,  tapi penurunan  tekanan  tetap  tidak  berubah.  Hal ini  disebabkan  karena  partikel  padatan  akan bergerak bebas/teraduk oleh aliran gas tanpa halangan yang berarti.
Adanya aliran turbulen dan pergerakan  cepat  dari  fluidat  (alumina  atau silika),  menyebabkan  peningkatan  koefisien perpindahan panas pada fluidised bed hingga 120-1200  W/m 2 0 C.  Adapun  faktor-faktor yang  mempengaruhi  koefisien  perpindahan panas dalam dapur fluidised bed antara lain : ukuran  partikel,  jenis  material bed dan kecepatan fluidisasi gas.
Keuntungan  Dan  Kerugian  Dapur Fluidised Bed Fluidised  bed terdiri  atas  dapur  (retort, pemanas dan insulasi) dan sistem kontrolnya. Dapur dipanaskan oleh elemen pemanas dan gas  (nitrogen)  dialirkan  ke  dapur  untuk melindungi terjadinya oksidasi atau dekarburisasi di dalam fluidised bed. Adapun konstruksi  pada  suatu  dapur fluidised  bed dapat ditunjukkan dalam Gambar berikut ini.
Gambar 1. Konstruksi dapur fuidised bed [R.W. Reynoldson, 1993]
Keuntungannya adalah :
 Kecepatan  perpindahan  panas  yang tinggi,  keseragaman  temperatur  lebih cepat  serta  dapat  dioperasikan  hampir pada semua jangkauan temperatur.
 Efisiensi  termal  tinggi dengan  konsumsi listrik rendah.
 Biaya  operasional  lebih  rendah  selama digunakan.
 Waktu  pemanasan  lebih  singkat, sehingga mengurangi waktu perlakuan.
 Partikel pada fluidised bed tidak abrasif, tidak korosif dan tidak membasahi benda kerja.
 Permukaan  yang  dihasilkan  lebih  baik, tidak terjadi scalling .
 Deformasi yang terjadi lebih kecil.
 Dapat  dipakai  untuk  berbagai  proses perlakuan panas hanya dalam satu dapur, seperti  :  pengerasan,  karbonitridisasi, karburisasi,  nitridisasi,  nitrokarburisasi dan lain-lain.
 Tidak terjadi korosi.
 Bebas dari polusi dan kontaminasi.
 Dapat juga untuk keperluan pendinginan dan sebagai media celup.
 Laju  pemulihan  lebih  cepat  ( faster recovery rate s).
 Perubahan  komposisi  atmosfir  yang cepat  ( rapid  changes  of  atmosphere compositions ).

## METODOLOGI PENELITIAN
Mencari  dasar-dasar  teori  yang  mendukung sekaligus  sebagai  acuan  dalam  pembahasan dan  pelaksanaan  penelitian. Parameter  yang perlu  diketahui  antara  lain  : Menentukan faktor-faktor lain yang merupakan parameter proses    dimana  faktor-faktor  ini  sangat mempengaruhi proses pengerasan permukaan  stainless  steel  tipe  316L, diantaranya :
Non-variabel proses : 1. Menentukan temperature proses 2. Menentukan komposisi gas
3. Menentukan  flow  rate  gas  pada temperatur proses
4. Menentukan waktu proses Variable proses :
 Temperatur  proses  yaitu  temperatur 520 0 C.
 Komposisi  gas  yang  masuk  kedapur yaitu 80% N 2 dan 20% NH 3 .(17 mm N 2 : 4 mm NH 3 ).
 Proses  nitridisasi  dalam  dapur  fluidised bed
 Mencari keadaan homogen :
1. Masukan sampel kedalam dapur fluidised bed  dan dilakukan  perhitungan  waktu proses yaitu 1, 2 dan 3 jam (ketiga sampel dimasukan  bersamaan  dan  dikeluarkan setiap 1 jam kemudian 2 jam dan terakhir
3 jam).
2. Setelah waktu proses selesai, sampel dikeluarkan dari dalam dapur, dengan media pendingin adalah udara bebas.

## PEMBAHASAN
Pengujian-pengujian 1. Uji  Metalografi  (SEM) :  mendapatkan strukur dari hasil Nitriding
2. Uji  Kekerasan :  mendapatkan  nilai kekerasan  dari  proses  nitridisasi  pada dapur fluidised bed

## Diagram Alir Penelitian
Gambar 2. skema dapur fluidised bed a) b) c)
Gambar 3. Hasil Pengujian SEM
Baja Tahan Karat Tipe 316L
Preparasi Sampel
Parameter Proses Nitridisasi : Temperatur Proses : 520 0 C Waktu Proses : 1, 2, 3 jam Komposisi gas : 80 % N 2 , 20 % NH 3
Uji Metalografi
Analisa data dan penulisan laporan Uji kekerasan
Hasil pengamatan metalografi menunjukan  untuk  temperatur  500 0 C dihasilkan pembentukan lapisan nitrida yang relatif  tebal  setelah  waktu  perlakuan nitridisasi  3  dan  6  jam  (seperti  ditunjukan pada  gambar  SEM  diatas).  Hanya  pada gambar 3a menunjukan pembentukan lapisan tipis  dimana  proses  nitriding  dilakukan selama  1  jam.  Bentuk  lapisan  nitrida  yang terbentuk  pada  temperatur  ini  untuk  waktu perlakuan  yang  lama  berbeda  dengan  yang terbentuk  6  jam.  Beberapa  fasa  berwarna gelap terbentuk dalam lapisan ini (gambar 3b dan 3c),  terutama  pada  bagian  atas  lapisan. Pembentukan  fase-fase  gelap  tersebut  sama dengan  yang  teramati  pada  spesiman  hasil perlakuan  plasma  nitriding  dan  dapat dihubungkan dengan dekomposisi pada fasa S dan pembentukan nitrida khrom.
Tabel 1. Waktu proses Vs Kekerasan
Waktu proses (jam) Kekerasan (HV) 1 390 3 1250 6 1350 Waktu Proses Vs Kekerasan 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 2 4 6 8 Waktu Proses (Jam) K ek er as an (H V) Gambar 4. Waktu Proses Vs Kekerasan Gambar  4 menunjukan  hasil
pengukuran kekerasan mikro pada permukaan  lapisan  nitrida  hasil  perlakuan nitridisasi  terhadap  temperatur  dan  waktu proses.  Dapat  dilihat  nilai  kekerasan  pada temperatur  500  C  selam  1  jam  tidak  terlalu berpengaruh.  Hal  ini  sesuai  dengan  hasil pengujian  metalografi  yang  menunjukan tidak  efektifnya  perlakuan  nitridisasi  pada kondisi tersebut.
Pengukuran  kekerasan  dan  analisa struktur mikro mengindikasikan bahwa pada
kondisi  tersebut  terdapat  masa  inkubasi ( incubation  time )  untuk  memulai  terjadinya reaksi nitridisasi. Nitridisasi harus dilakukan untuk  waktu  yang  lebih  lama  dari  masa inkubasi untuk menghasilkan lapisan nitrida yang  efektif.  Dari  hasil  pengujian  juga menjelaskan  bahwa  masa  inkubasi  sangat tergantung temperatur yaitu dengan meningkatnya  temperatur  proses  nitridisasi akan mengurangi masa inkubasi.
Fenomena  masa  inkubasi  ini,  yang  mana belum  dijelaskan  pada  proses  nitridisasi lainnya  seperti  plasma  nitriding,  mungkin dapat  dihubungkan  dengan  perlakuan  yang terjadi  dalam  dapur  fluidised  bed  selama pemrosesan  berlangsung.  Dimana  adanya lapisan  oksida  tipis  yang  terdapat  pada permukaan  spesiman  uji  dibutuhkan  untuk mempengaruhi  reaksi  nitridisasi  dengan menghasilkan disosiasi panas. Meningkatnya temperatur  maka  akan  mempercepat disosiaso  pada  lapisan oksida  dan mengakibatkan masa inkubasi yang semakin pendek.

## KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan Dari  hasil  pengujian  yang  meliputi kekerasan,  dan  SEM  berdasarkan  waktu proses  nitridisasi  pada  stainless  steel  tipe 316L  dengan  media  dapur  fluidised  bed dapat disimpulkan  bahwa  lapisan  nitrida yang terbentuk menghasilkan lapisan nitrida yang memiliki S fase, namun terdapat masa inkubasi  untuk  memulainya  nitridisasi  yang efektif. Pengujian  korosi  menunjukan terbentukanya  oksida  besi  pada  permukaan lapisan nitrida spesimen.
Saran Perlakuan  nitridisasi  pada  stainless steel  tipe  316  L  dalam  dapur  fluidised  bed dengan temperatur proses 500 0 C cenderung menurunkan  sifat  ketahanan  korosinya. Untuk  itu,  diharapkan  untuk  melakukan pemrosesan  dengan  temperatur  yang  lebih rendah dan menjada agar selama pemrosesan dengan dapur fluidised bed tetap terjaga dari
lingkungan disekitarnya terutama gas O 2 dan H 2 .  beberapa  hal  yang  dapat  dilakukan adalah  laju  aliran  dapat  ditingkatkan sehingga  udara  luar  tidak  dapat  masuk kedalam dapur  dan  gas  yang  digunakan sebagai  media  proses  dapat  menggunakan komposisi  gas  yang  bebas  dari  kandungan- kandungan  seperti  O 2 dan  H 2 yaitu  dengan menggunakan  media  gas  yang  lebih  murni seperti  gas  nitrogen  murni  (N 2 HP) dengan tingkat kemurnian hingga 99,998 %.

## DAFTAR PUSTAKA
1. Reynoldson, Quality  Heat  treatment ,
Surface  Treatment  in  Fludised  Bed Furnace, Australia.
2. The
Contract Heat Treatment Association, Nitriding
and
Nitrocarburising ,  Datasheet  for  Non- Heat-Treaters.
3. Gunter  Liebmann, Is  Substitutingcase hardening  with  nitriding  possiblefor comnponen  susceptible  for  distortion ,
2003.
4. Gupta, B.K. Tribology  : Material  , Coatings  and  Surface  Treatments , 1991,Indian Institute of Technology New Delhi, India.
5. Robert S., Material  Selection  for  Wear Resistant , Surface Engineering.
6. Billingham R., Heat  Treatment  of Metals , Volume 4, 1992, p. 92-102.
7. Davis J.R., Stainless  Steel  ASM  Hand Book , 2002.
8. Dawes C., Nitrotec  Services  Ltd ,  Heat Treatment of Metals, Volume 1, 1990,p. 19-30.
9. Stratton P.  F. and  K.  Bennett, Heat Treatment of Metals , Volume 1,1996, p.
7-10.
10. Reynoldson R.W., Heat  Treatment  in Fludised  bed  Furnace , 1993,
International  Publication,  Quality  Heat Treatment Pty. Ltd. Australia.
11. R.W.  Reynoldson, Quality Heat Treatment  Pty .  Ltd,  Australia,  Heat treatment of Metals, Vol. 4, 1995,P. 100- 103.
12. ……………, Wear  Resistant  Surface  in Engineering, International Research and Development  Co  Ltd, Department  of Trade and Industry, April, 1985.
13. Landsdown A.R. and  A.L.  Price, Material to Resist Wear , 1986, A Guide to Their  Selection  and  Use,  Pergamon Press.
14. Hutching I.M., Tribology  :  Friction  and Wear of Engineering of Materials , 1992, London, Edward Arnold.
15. Mittemeijer E.  J. and  J.  T.  Slycke, Chemical  Potentials  and  Activities  of Nitrogen  and  Carbon  Imposed  by Gaseous  Nitriding  and  Carburising Atmospheres , 1996.