Pembuafan Paduan l'jNi, Menggunakan Tri Arc Melting Purr/ace, sebagai Studi Awal Pembuatan Shape Memory Alloys(Sulistioso Giat Sukaryo)

PEMBUATAN PADUAN TiNiMENGGUNAKAN TRI ARC MELTING FURNACE

SEBAGAI STUDI AWAL PEMBUATAN SHAPE MEMORY ALLOYS.

Sulistioso GS' , S~tyoPurwanto " Dodi RenoPIPusIitabangIptek Bahan - BATAN , Serpong.2 Jur.Fisika Univ.sumatera Utara - MEDAN.

ABSTRAK

PEMBUATAN PADUAN l1Ni, MENGGUNAKAN 1'Rl ARC MELTING FURNACE, SEBAGAI STUDI AWALPEMBUATAN SHAPE MEMORY ALLOYS. TelahdilakukanpembuatanpaduanTiNidengan metodacor menggunakanalaITriArc Melting Furnace pada kondisi gas Argon. Paduan TiNi selain ungguldalam sifat mekanik, ketahanan korosi pada suhu tinggidaDbiokompatibilitas yang bail . Pada komposisi Ti-(53-57)% wt.Ni mempunyai sifat yang khuSllS,yaitu sifat Shape MernOlYAIl()y,~atau padoan ingat bentok. K{)mposisikimia basil peleburan yang{jiukurOOnganteknik 80S mengbasilkan Ti-54,57%Ni.Pengamatan mi.krOStl.1Jktllfsampel seleJah perlakuan panas. dengan mikroskop oplik.dan SEM. menllnjukk.anad.anyafasamartensit dan twinning, penentuan struktur kristal setelah perlakuan panas, dengan XRD, menghasilkan struktur BCC denganparameter kisi =3,0217 A.

ABSTRA CT

SYNTHESIS 0..' 'fiNi ALLOYS, ..;MPLOYED TRI ARC MELTING FURNACE. liNt, AS PRELIMINARY STUDI0..' MAKING SHAPE MEMORY ALLOYS. TiNi alloys have been synthesized ,used tri arc melting furnace. TiNi alloysexhibit an exelent mechanical properties, corossion resistant at high temperature and good biocompatibility. At the compositionTi - (53-57)% wt Ni, reveal a special properties, called Shape Memory Alloys. Sampel as cast have a composition Ti-54,57%Ni,detennjnated by 80S. Microstmcture sampel after heat treatment, observed by optical rnicwscopy and SEM ,exhibit martensiterase and twinning. Investigate of sistem crystal TiN] alloys after heat treatment use XRD, is BCC with lattice parameter =3.0217 A. Refers and confmn that, TiNi alloys, show a part of Shape Memory Alloys fenomena.

Kala kunci : TiNi, Shape memory alloys, Martensite

PENDAHULUAN

Paduan TiNi mempunyai beberapa keunggulansifatmekanikantaralain,keuletanpOOasuhutamar, tahankorosi pactasuhu tinggi, juga konduktivitas listrik, clanpanasyanghaik serta mempunyaibiokompatihilitasyangbait, maka paduan TiNi digunakan juga sebagai t]JIangbuatan alan kawat perala gigi (Orthodonsi),biokompatibilitas yang bait, merupakan salah sarticiribahan yang ramah terhadap lingkungan, sehinggapaduan TiNi merupakan paduan Jogam yang banyakdigunakanpactaBiomaterial{l].

Shapememoryalloys, adaJahpaduan logamyangdapat kembaJi ke bentuk semuJa (bentuk sebelummengalami deformasi), setelah dipanaskan.Penelitiantentang efek ingat bentuk pacta TiNi masih banyakdilakukan,karena fenomena Ingarbentukini belumdapatdijeJaskandengan tuntas. Komposisi kimia paduan TiNiyang merupakan komposisi daTishape memory alloysyang ban yak digunakan pacta industri adalahTi-{53-57)%wt.Ni{2].Salah satuciri umum daTipaduan

yang bersifat Ingar bentuk adaJah Fasa induk clanrasamartensityang tementukmempunyai simetrikristalyangtinggi, untuk paduan TiNi rasa induknya adalah BCCclanrasa martensitnyaMonoklinik [31.Pactamakalah iniakan dibahas pembuatan paduan TiNi denganmenggunakan Tri Arc Melting Furnace Kemudiancuplikan dikarakterisasi dengan difraksi sinar-x untukpenganlatan rasa yang terbentuk dan diamati strukturmikro sampcJ dcngan mikroskop optik. Paduan TiNiseJain mempunyai titik lebur yang tinggi juga sangatreaktif tcrhadap oksigen sehingga untuk menghindarisampel yang terkontaminasi oleh oksigen makadigunakan Tri Arc Melting Furnace pada suasanaargon.

TATACARA KERJA

Pembuatan cuplikan.

Bahan yang digunakan adalah :

165

I. Serbuk titanium dengan kemumian > 98%, dan ukueanbutir sekitar 150 J.Ul1.

2 Serbuk nikel dengan kemurnian > 99,50%, daDukuranbutir sekitar 10 J.Ul1.

Kedua bahan tersebut ditimbang dengan kompo-sisi Ti =44%, dan Ni =56% dalam pcrsen bera.. kemudiandieampur daDdiaduk dengan menggunakan mortar, agarlebih homogen. Pemilihan komposisi tersebul didasarkanpacta komposisi dati paduan TiNi yang bersifat shapememory alloy:; . Diagram rasa dari paduan TiNiditampilkan pactagambar I berikut

.tieto'"-'-'- _dol.. .. --

L

~

1)0)

,..

",it .iiiDiagramrasa 'n-Ni .11

Tahap selanjulnya campuran paduan TiNilersebul, dikompaksi dcngan alaI pres membenluklempcngan dengan diameler = 1,5 em dan tebal 0,5 em.Tckanan yang digunakan = 10tonlem2. Kcmudian sampcldilebur pacta tri arc meLting funzace dalam suasana gasArgon. Sebelum peleburan dilakukan, terlebih dahuludilebur titanium murni di dalam fimng peleburan , agaroksigen yang terdapat di daJam ruang pcleburan terikat

olch Titanium.

Karakterisasi.

Hasi\ pclcburan dianalisis komposisinya denganEDS, dengan eara mcngambil data komposisi pactabeberapa titik, kemudian dirata-ratakan, hasilnya didapatTj..54,57% wtNi.

Karakterisasi selanjutnya adalah pcngamatamstruktur mikro dengan mikroskop optik dun SEM. Untukmendapatkan gambar slruktur mikro, peonukaan sampeldipoles hingga halos dengan kertas amplas, kemudian dihalu:o;kanlagi dengan alumina suspension, tahap terakhirsampel dietsa dengan larutan yang tcrdiri dati campuran

: Hf: HNO}: HP= 10: 5: 85 hasilnya sebagai berikut

Pacta foto di bawah, tampak gambar seperti butir-butir yang dibatasi olch jalur-jalur yang lebar, scbenarnya

Foto struktllr mikro paduan TiNi hasilpeleburan.

Foto detail daTi dcnritik.

gambar terscbut bukanlah butir-butir, melainkankumpulan dati denritik . Hal illi tampak pactagambar 3berikut,yang meropakanperbesarandarikelompokdenrittersebut , difoto dengan SEM.

Tabap selanjutnya adalall perlakuan panas darisampel, urotan perlakuan panas yang diberikan pactasampcl scbagaiberikut:

Proses pertama adalah pemanasan di dalamfumaee sampai temeperatur 920 °C, kemudian sampelditahan sclama I jam (soLid.wlution) , dengan maksudagar seluruh paduan berada pacta satu rasa, yaitu rasaTiNi. Agar rasa terscbut tidak berubab pactasuhu kamar,maka sampel didinginkan dengan cepat (Quenching),dengan cara mencclupkan dalam air, langsung datitungku.

Gambar bcrikut adalalJ toto struktur mikro dari

sampel setelah pcndinginan eepat . Pada gamhar initampak bahwa kumpulan dati denrit-denrit sudahmcnghilang , daDtampak rasa martensit yang berbcntukscperti daDo-clauDbambu dengan arab yang aeak, sertagaris-gads sejajar yang pendek-pcndek yang disebuttwinning.

166

FOlo slruklur mikro dari paduan TiNi selelahquenching

Sampcl hasil pendinginan cepat kcmudian diamatisistem ktistalnya, untuk mengkonfirmasi bahwa rasa yangacta hanya rasa TiNi, clan sudah merupakan rasa darishape memory alloys. Pengamatan sistem kristal tcrsebutdilakukan dcngan difraksi StORr-X, clan didapat hasilscbagai bcrikut :

/Umttt!IC'.""""""-""""'---"""",-",

~,~

I; ("U) t'",) i:,-,.-~_.""I ~._-'-~--J~--. !l_nu_.

Pola difraksi sinar-X, dari sam pel hasi!pcndinginan cepa!.

Dati vola difi'aksidi alas tampitkbahwa yang actahanya rasa TiNi, dengan strnktur BCe. clan panjangparameterkisinya a==3.0217A

HASIL DAN PEMBAIIASAN

Peleburan dengan Tri Arc Melting Furnace,menunjukkan basil yang balk, ini dapat dilihat dari foto-

, foro struktur mikro yang sudah tidak menampakkanadanya pori-pori, hal tersebut menunjukkan tidak actaud'ara yang teljebak di dalam sampel, karcna kebemdaanoksigen akan dapat mempengaruhi terbentuknya fasaTINi yang diharapkan, clankemungkinan terbesar adaJahterbentuknya TiO, clan NiO karena unsur Ti clanNi sangatrcaktif tcrhadap O.

Pacta foto struktur mikro hasil peleburan, sebelumperlakuan panas (as cast), tampak jakur-jalur yangmele.bardiant.1rakumpulan denrit.denrit, ini teIjadi karenapembekuan yang tidak bersarnaan. Hal terscbut

disebabkan oleh karena cetakan dari aJarTri Arc MetingFurnace, didinginkandengan air pendingin yang berasaJdari 'chiller', sehinggaketika sampel sudah mencairdanelektroda dimatikan, maka akan terjadi pembekuandengan cepat pacta sampel , rapt tidak merata, secaramikro pembekuan seperti ini akan memberikan dampakyang cukup berarati pacta struktur mikro sampel yaituterbentuknya struktur denrit clan butir-butir. Bentukdenritikadalahdri dari sampelyangdibuatdengan teknikpeleburan, clan pendinginan normal. Sedangkan pactapendinginan yang cepat akan menghasilkan strukturbutir-butir atau denrit yang sangat halus, pada makaJahini struktur tersebut tidak teramati.

2

Pcngukuran komposisi dengan EDS menghasilkandata yang cukup balk ,dalam alti sesuai del1g~mperkiraankomposisi sebelum di Jebur. Onlam hal homogenisasijugacukup baik, karena dad beberapa tilik pengukuranperbediUm knmposisi tidak lebih dati II %, bewti masihlebih kecil dad toleransi ketelitian alar EDS.

Sctclah perJakuan panas sam pel mcmberikangambaI' yang berbeda, karena sudah terbantuk rasamartensit akibat dart pendillginan yang cerat, dengancara mcncelupkan sampcl ke da1am air langsung darifumace, nul11unkarclla dilakukall dcl1gal1l11u.I1ual,makaada selang waktu antara pengambilan sam pel danpencelupan dan ini mcnyebabl<an sebagiun sebagian keeildari sam pel sudah mendingin oleh udara , waJaupunpcndinginan ini relatifhomogen, tart untuk kondisi mikro,hIll ini masih berpengaruh, sehingga belum seluruhnyaberubah mcnjadi maJ1ensit Penyebab lain dart tidak:terbentuknya fasa martensit, kemungkinan adaJah adanyaunsur-unsur pengotor lain dad unsur Ti clan Ni yangdigunakan, clanjuga berasal dart perlakuan panas yangkurang optimal untuk sampel paduan TiNi yang dibuat.

HasHdmi pengamatan dengan XRD, yang teramatihanyalah fa<;aTiNidengan struktur krista) BCC, kemudianpengukuranparameterkisi menghasilkana ==3,0271Ahal ini menguatkan aJasan untuk mengatakan bahwasampel dengm1 rasa TiNi sudah terbentuk. Tapi karenafasa martensit yang terbentuk belum merata, makatransformasi tempcratur dad austenit ke martensit belumdapat diamati.

Adapun sampel sudah bersifat paduan IngatBentuk, belum dapat diklaim dengan penclitian tnt, raptbeberapa gejala dart sifat Ingar bentuk sudah muncuJyaitu adanya martensit clan garis-garis kembar yangdiscbut twinning, penelitian ini masih harns dilanjutkandengan pengamatan temperatur transisi clanuji mekanikunttik melihat sifat dari Shape Memo,}' Alloys.

KESIMPULAN

Dart basil pengamatan komposisi clan struktur kristaltampak bahwa sampel yang dibuat pada peneJitian ini

sudah mempunyai betfasa tnnggal TiNi. Dan datipengamatan struktur mikro sudab menunjukkanbahwa paduan TiNi yang dibuat dengan alat Tri ArcMelting Furnace, hasilnya baik, dalam arti tidakterdapatkeretakan ataupunudara yang terjebak (pori-pori).

- Gejala dari sitar ingat bentuk sudah muncul ditandaidengan struktur kristal yang berfasa tunggal TiNidengan sistem kristal BCC dan parameter kisi a =3,O27IA. Strukturmikrosampelsetelahsolitlsolution,menunjukkan adanya rasa martensit yang terkembar.(Twinned Martensite), hat ini merupakan salah sartIgejala dari fenomena Shape Memory Alloys.

DAFTAR ACUAN

[I]. Rc. Lin, H.M.Liao,J.L.He, K.M.Lin, K.c. Chen,(1997), Wear Characterization of Ion NitridedTi5l,NisoShape Memory Alloys. Surface and Coat-ingTechnology92(178-189).

[2).Miyazaki,S., andOtsuka,K.,(1989),DevelopmentofShape Memory Alloys, ISU International, Vol.29(354-358).

[3J. Adnyana, D., (1986), Teknologi Paduan Logam"Shape Mcmory " dan pcncmpannyauntuk indu~1ri, Disampaikan pada kongres limo PengetahuanNasionalIV,Jakarta.

(4). ASM International, Binary AlloysPhase Diagram,YoU, TheMaterialInformationSociety, USA,1992(2874- 2876).

[5J. Tadaki,T.,Otsuka,K.,andShimizu,K.,(1988),ShapeMemoryAlloys,Ann.Rev.Mater.Sci.,VoI.18,(27,37).