analisis struktur mikro dan sifat mekanik lapisan …eprints.ums.ac.id/59343/2/halaman depan.pdfvii...
TRANSCRIPT
i
ANALISIS STRUKTUR MIKRO DAN SIFAT MEKANIK
LAPISAN NiCr-Al YANG DIBENTUK DENGAN
METODE SPUTTERING PADA BAJA ST 40
TESIS
Diajukan Kepada
Program Studi Magister Teknik Mesin
Sekolah Pascasarjana Universitas Muhammadiyah Surakarta
Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Guna Memperoleh
Gelar Magister dalam Ilmu Teknik Mesin
Oleh :
HARI SETIADI
NIM. U 100 140 018
MAGISTER TEKNIK MESIN
SEKOLAH PASCASARJANA
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
2018
vii
ANALISIS STRUKTUR MIKRO DAN SIFAT MEKANIK
LAPISAN NiCr-Al YANG DIBENTUK DENGAN METODE
SPUTTERING PADA BAJA ST 40
Hari Setiadi1, Tri Widodo Besar R2, Agus Dwi Anggono3
Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta
Jl. A, Yani, Pabelan, Kartasura, Tromol Pos 1, Kartasura, Indonesia
Email : [email protected]
Abstrak :
Proses deposisi lapisan tipis NiCr dan Al pada substrat ST 40 di lakukan
dengan teknik sputtering. Dalam teknik sputtering, substrat ST 40 diletakkan
pada anoda dan target NiCr dan Al diletakkan pada katoda, gas nitrogen
sebagai gas reaktif dan gas argon sebagai gas sputter. Proses deposisi ST
40 dilakukan dengan 2 kali pelapisan. Lapisan pertama dengan NiCr dengan
variasi waktu 60, 120, 180, dan 240 menit, kemudian lapisan ke dua dengan
Al dengan waktu 30 menit. Kemudian dipanasi pada suhu 7500C selama 30
menit. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh deposisi
lapisan tipis NiCr dan Al terhadap substrat ST 40. Hasil eksperimen yaitu
kekerasan, struktur mikro (SEM) dan komposisi unsur (EDX). Karakterisasi
nilai kekerasan untuk ST 40 sebesar 171,96 HVN, sedangkan lapisan tipis
NiCr selama 60 menit sebesar 191.256 VHN, dan sebesar 279.912 VHN
(tanpa pemanasan NiCr 60 menit, Al 30 menit), 253.056 VHN (tanpa
pemanasan NiCr 120 menit, Al 30 menit), 231.264 VHN (tanpa pemanasan
NiCr 180 menit, Al 30 menit), 213.888 VHN (tanpa pemanasan NiCr 240
menit, Al 30 menit), 262.968 VHN (dengan pemanasan NiCr 60 menit, Al 30
menit), 278.304 VHN (dengan pemanasan NiCr 120 menit, Al 30 menit),
231.408 VHN (dengan pemanasan NiCr 180 menit, Al 30 menit), 219.288
VHN (dengan pemanasan NiCr 240 menit, Al 30 menit), dan komposisi
unsur pada lapisan dengan EDX-Pure diperoleh kandungan Al = 82,17 %;
Cr = 15,36 % dan Ni = 2,46 %. sedangkan dengan menggunakan EDX-
oxide diperoleh Al = 46,41 %; Cr = 7,39 % dan Ni = 1,19 %.
Kata-kata Kunci : sputtering, nikel-kromiun, aluminium, deposisi lapisan,
ST 40
1Mahasiswa Magister Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta. 2Dosen Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta 3Dosen Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta
viii
Abstract
The deposition process of NiCr and Al thin film on ST 40 substrate is done
by sputtering technique. In the sputtering technique, the ST 40 substrate is
placed on the anode and the NiCr and Al targets are placed at the cathode,
nitrogen gas as reactive gas and argon gas as sputter gas. The ST 40
deposition process is carried out with 2 coatings. The first layer with NiCr
with variations of time 60, 120, 180, and 240 minutes, then the second layer
with Al with 30 minutes time. Then heated at 7500C for 30 minutes. The
purpose of this research is to know the effect of NiCr and Al thin layer
deposition on ST 40 substance. The experimental result is hardness, micro
structure (SEM) and element composition (EDX). The characterization of the
hardness value for ST 40 was 171.96 HVN, while the NiCr thin film for 60
min was 191.256 VHN, and 279,912 VHN (unheated NiCr 60 min, Al 30
min), 253.056 VHN (unheated NiCr 120 min, Al 30 min), 231,264 VHN
(unheated NiCr 180 min, Al 30 min), 213,888 VHN (unheated NiCr 240 min,
Al 30 min), 262,968 VHN (with N-Cr 60 heating minute, Al 30 min), 278,304
VHN (with heating NiCr 120 min, Al 30 min), 231,408 VHN (with heating NiCr
180 min, Al 30 min), 219,288 VHN (with NiCr 240 min heating, Al 30
minutes), and elemental composition on the layer with EDX-Pure obtained Al
content = 82.17%; Cr = 15.36% and Ni = 2.46%. whereas by using EDX-
oxide obtained Al = 46,41%; Cr = 7.39% and Ni = 1.19%.
Keywords : sputtering, nikel-cromiun, aluminium, deposition thin film, ST 40
ix
KATA PENGANTAR
Pertama dan utama penulis panjatkan puji syukur kehadirat Allah
SWT yang telah melimpahkan rahmat, hidayah serta inayahnya kepada
penulis , sehingga dapat menyelesaikan penelitian dengan judul “Analisis
Struktur Mikro dan Sifat Mekanis Lapisan NiCr-Al Yang Dibentuk dengan
Metode Sputtering Pada Baja ST 40 “ telah selesai. Untuk itu tidak lupa
penulis mengucapakan terima kasih yang tak terhingga kepada yang
terhormat :
1. Dr. Sofyan Anif, M.Si, Rektor Universitas Muhammadiyah Surakarta
yang telah memberikan kemudahan dan fasilitas belajar di
Pascasarjana Universitas Muhammadiyah Surakarta.
2. Prof. Dr. Bambang Sumardjoko, M.Pd. Direktur Program
Pascasarjana Universitas Muhammadiyah Surakarta yang telah
memberikan fasilitas dalam menyelesaikan pendidikan di Program
Pascasarjana Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta.
3. Bapak Tri Widodo Besar Riyadi, S.T, M.Sc. Ph.D. selaku ketua
program Studi Teknik Mesin PascaSarjana Universitas
Muhammadiyah Surakarta , dan selaku pembimbing I yang telah
memberikan pengarahan. Memotivasi, meluangkan waktunya, serta
memberikan nasehat kepada peneliti dalam menyelesaikan tesis ini.
4. Bapak Agus Dwi Anggono, ST, M.Eng, Ph.D. selaku pembimbing II
yang telah memberikan pengarahan. Memotivasi, meluangkan
waktunya, serta memberikan nasehat kepada peneliti dalam
menyelesaikan tesis ini.
5. Dosen-dosen di Pascasarjana UMS, dan khusunya kepada Dosen-
dosen di Program Studi Magister Teknik Mesin yang telah
memberikan tambahan ilmu bagi penulis.
6. Pimpinan Perpustakaan yang telah memberikan fasilitas dalam studi
ke perpustakaan.
x
7. Segenap Staf Administrasi Sekolah PascaSarjana Universitas
Muhammadiyah Surakarta yang telah membantu kelancaran
sehingga selesainya tesis ini.
8. Orang tua, anak, sahabat dan semua pihak yang tidak mungkin
penulis sebut satu-persatu yang memberikan masukan, saran dalam
penyusuan tesis ini.
9. Rekan-rekan mahasiswa S-2 Program Studi Magister Teknik Mesin
UMS, khususnya rekan-rekan Pak Parjo, Pak Lujeng, Pak Hadi, Fani,
Yudha, Dwi, Kautzar angkatan ke-2 Teknik Mesin, semoga sukses
selalu.
Peneliti menyadari bahwa penulisan tesis ini jauh dari sempurna, maka
penulis mengharapakan kritik dan saran yang membangun, semoga
bermanfaat bagi penulis pribadi, pembaca dan pihak-pihak yang
membutuhkan.
Penulis
xi
DAFTAR ISI
NOTA PEMBIMBING I …………………………………………………… ii
NOTA PEMBIMBING II ………………………………………………….. iii
HALAMAN PERSETUJUAN …………………………………………….. iv
HALAMAN PENGESAHAN ………………………………………………. v
PERNYATAAN KEASLIAN TESIS………………………………………. vi
ABSTRAK…………………………………………………………………… vii
KATA PENGANTAR……………………………………………………….. ix
DAFTAR ISI…………………………………………………………………. xi
DAFTAR GAMBAR………………………………………………………… xiv
DAFTAR TABEL…………………………………………………………… xvi
BAB I PENDAHULUAN…………………………………………………… 1
1.1. Latar Belakang…………………………………………………. 1
1.2. Perumusan Masalah…………………………………………... 2
1.3. Batasan Masalah………………………………………………. 2
1.4. Tujuan Penelitian……………………………………………… 3
1.5. Manfaat Penelitian…………………………………………….. 3
1.6. Sistematika Penulisan………………………………………… 4
BAB II LANDASAN TEORI……………………………………………… 5
2.1. Tinjauan Pustaka………………………………………………. 5
2.2. Landasan Teori………………………………………………… 8
2.2.1. Plasma Lujutan Pijar DC………………………………. 8
2.2.2. Konsep Dasar Sputtering……………………………… 9
xii
2.2.3. Mekanisme Sputtering…………………………………. 10
2.2.4. Interaksi ion Gas Sputter Dengan Target……………. 11
2.2.5. Energi Ion Gas Sputter………………………………… 12
2.2.6. Soutter Yeild…………………………………………….. 12
2.2.7. Sistem Pemvakuman…………………………………... 13
2.2.8. Tingkat Kevakuman……………………………………. 14
2.2.9. Pompa Vakum………………………………………….. 14
2.2.10. Heat Treatment………………………………………... 16
2.2.11. Baja Karbon……………………………………………. 17
2.2.12. Nikel-Krom…………………………………………….. 18
2.2.13. Aluminium…………………………………………….. 19
2.2.14. Kekerasan Vickers……………………………………. 19
2.2.15. SEM/EDX………………………………………………. 21
BAB III METODOLOGI PENELITIAN……………………………………. 22
3.1. Tempat Penelitian…………………………………………….. 22
3.2. Alat dan Bahan………………………………………………... 22
3.2.1. Alat Penelitian…………………………………………… 22
3.2.2. Bahan Penelitian……………………………………….. 27
3.3. Diagram Alir Penelitian………………………………………... 29
3.4. Prosedur Penelitian……………………………………………. 30
3.4.1. Studi Pustaka…………………………………………… 30
3.4.2. Studi Eksperimen………………………………………. 30
3.4.3. Persiapan Alat dan Bahan…………………………….. 30
3.4.4. Proses Pencucian………………………………………. 30
xiii
3.4.5. Proses Sputtering………………………………………. 31
3.4.6. Proses Heat Treatment………………………………… 34
3.4.7. Pengujian Kekerasan dan Foto Mikro………………. 34
3.4.8. Pengujian SEM/EDX…………………………………… 37
3.4.9. Analisa Data…………………………………………….. 38
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN……………………………………... 39
4.1. Hasil Foto Mikro Permukaan…………………………………. 39
4.2. Hasil Pengujuan SEM?EDX…………………………………. 41
4.3. Hasil Pengujian Kekerasan Vickers…………………………. 46
4.4. Analisa Data Hasil kekerasan………………………………… 51
BAB V PENUTUP…………………………………………………………. 54
5.1. Kesimpulan…………………………………………………….. 54
5.2. Saran……………………………………………………………. 54
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
xiv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Tabung Lucutan Pijar DC 9
Gambar 2.2. Sistem Sputtering 11
Gambar 2.3. Proses Tumbukan Ion Dan Atom Target 11
Gambar 2.4. Prinsip Kerja Pompa Rotari 15
Gambar 2.5. Pompa Difusi Satu Tingkat 16
Gambar 2.8. Sudut Dan Hasil Jejak Piramida Intan 20
Gambar 3.1. Mesin DCSputtering 23
Gambar 3.2. Mesin Furnace 23
Gambar 3.3. Alat Uji Kekerasan (Vickers) 24
Gambar 3.4. Mesin Polish 24
Gambar 3.5. Alat Uji SEM/EDX 25
Gambar 3.6. Amplas 25
Gambar 3.7. Alat Pemolesan 26
Gambar 3.8. PeralatanPencucianSubstrat 26
Gambar 3.9. Wadah Penyimpanan Substrat 26
Gambar 3.10. Peralatan Pengukuran 27
Gambar 3.11. Peralatan Safety 27
Gambar 3.12. Substrat Logam Induk Baja Karbon ST 40 28
Gambar 3.13. Target Sputtering 28
Gambar 3.14. Skema Diagram Alir Penelitian 29
Gambar 3.15. Proses Peletakan Target Dan Substrat 31
Gambar 3.16. Proses sputtering 33
xv
Gambar 3.17. Hasil Pelapisan Sputtering 34
Gambar 3.18. Substrat Hasil Pemanasan 34
Gambar 3.19. Proses Pengujian Kekerasan Vickers 35
Gambar 3.20. Jejak Hasil Penekanan Pengujian Vickers 36
Gambar 3.21. Layar Alat Uji Vickers 36
Gambar 3.22. Hasil Mounting 37
Gambar 3.23. Alat SEM/EDX 37
Gambar 4.1. Foto Mikro Permukaan Logam Induk Baja Karbon ST 40 39
Gambar 4.2. Foto Mikro Permukaan Lapisan Ni-Cr Pada Baja Karbon
dengan Waktu Pendeposisian Selama 60 Menit
39
Gambar 4.3. Foto Mikro Permukaan Lapisan Ni-Cr dan Al Pada Baja
Karbon ST 40
40
Gambar 4.4. Foto Mikro Permukaan Lapisan Ni-Cr dan Al Pada Baja
Karbon ST 40 Setelah Perlakuan Pemanasan Dengan
Suhu 7500C
41
Gambar 4.5. Foto SEM Dengan Pembesaran 3000x 42
Gambar 4.6. Foto SEM Dengan Pembesaran 5000x 42
Gambar 4.7. Foto SEM Dengan Pembesaran 10000x 43
Gambar 4.8. Foto SEM/EDS Dengan Pembesaran 3000x 44
Gambar 4.9. Grafik Hasil Pengujian EDX-Pure 44
Gambar 4.10. Grafik Hasil Pengujian EDX-Oxide 45
Gambar 4.11. Grafik Kekerasan Rata-Rata Substrat Logam Induk,
Lapisan Ni-Cr, Lapisan Ni-Cr Dan Al Dan Hasil
Pemanasan
51
Gambar 4.12. Grafik Kekerasan Rata-Rata Lapisan Sputtering Dan
Lapisan Sputtering Setelah Pemanasan
52
xvi
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1. Hasil EDX-Pure 45
Tabel 4.2. Hasil EDX-Oxide 45
Tabel 4.3. Hasil Kekerasan Logam Induk 46
Tabel 4.4. Hasil Kekerasan Target Ni-Cr 47
Tabel 4.5. Hasil Kekerasan Target Aluminium 47
Tabel 4.6. Hasil Kekerasan Lapisan Ni-Cr Selama 60 Menit 47
Tabel 4.7. Hasil Kekerasan Lapisan Ni-Cr Selama 60 Menit Dan
Aluminium Selama 30 Menit
47
Tabel 4.8. Hasil Kekerasan Lapisan Ni-Cr Selama 120 Menit Dan
Aluminium Selama 30 Menit
48
Tabel 4.9. Hasil Kekerasan Lapisan Ni-Cr Selama 180 Menit Dan
Aluminium Selama 30 Menit
48
Tabel 4.10. Hasil Kekerasan Lapisan Ni-Cr Selama 240 Menit Dan
Aluminium Selama 30 Menit
48
Tabel 4.11. Hasil Kekerasan Lapisan Ni-Cr Selama 60 Menit Dan
Aluminium Selama 30 Menit Dengan Pemanasan Suhu
750ºC Selama 30 Menit
49
Tabel 4.12. Hasil Kekerasan Lapisan Ni-Cr Selama 120 Menit Dan
Aluminium Selama 30 Menit Dengan Pemanasan Suhu
750ºC Selama 30 Menit
49
Tabel 4.13. Hasil Kekerasan Lapisan Ni-Cr Selama 180 Menit Dan
Aluminium Dengan Pemanasan Suhu 750ºC Selama 30
Menit
50
Tabel 4.14. Hasil Kekerasan Lapisan Ni-Cr Selama 240 Menit Dan
Aluminium Dengan Pemanasan Suhu 750ºC Selama 30
Menit
50