Sintesis dan Karakterisasi Paduan Kobalt Akibat Variasi Arus dengan

Metode Peleburan

Bayu Abriyanto1*, Dyah Hikmawati2, Aminatun3 1,2Departemen Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga

*bayu04abriyanto@gmail.com

ABSTRAK

Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh variasi arus listrik terhadap sifat mikro dan

mekanik paduan kobalt melalui proses peleburan. Paduan kobalt disintesis dengan komposisi Co-

62,25%Cr-31,5%Mo-5%Mn-0,5%Si-0,5%N-0,25% dilebur menggunakan arc melting furnace dengan

variasi arus listrik sebesar 60A, 80A, 100A, 120A, dan 150A. Kemudian sampel dikarakterisasi dengan

XRF untuk mengetahui komposisi paduan setelah proses peleburan. Dilanjutkan proses homogenisasi

dengan suhu 1300oC dan lama waktu penahanan konstan selama 2 jam. Kemudian dilakukan karakterisasi

XRF kembali untuk mengetahui kandungan unsur paduan setelah proses homogenisasi. Berdasarkan hasil

XRF, komposisi unsur setelah proses peleburan tidak jauh berbeda dengan besar kandungan unsur setelah

homogenisasi.Komposisi unsur yang dapat mempertahankan kandungan unsur semula terdapat pada arus

listrik peleburan sebesar 150A. Hasil identifikasi uji X-Ray Diffraction (XRD) menunjukkan terbentuknya

fase dan fase 𝜎masing-masing sebesar 31,45% pada arus 150A. Berdasarkan hasil uji kekerasan pada

sampel variasi arus peleburan sebesar 60A sampai 150A, sampel yang memiliki kekerasan paling rendah

atau yang mendekati kekerasan implan tulang yaitu pada sampel dengan arus 150A yakni sebesar

344,74±8,12 VHN.

Kata Kunci: paduan kobalt, homogenisasi, arc melting furnace, XRD, XR

ABSTRACT

The aim of this research is to determine the effect of electrical current variation on the micro and

mechanical properties of cobalt alloy resulted from melting method. Cobalt alloy was synthesized with

composition of Co-62,25%Cr-31,5%Mo-5%Mn-0,5%Si-0,5%N-0,25% and melted using arc melting

furnace with electrical current variation of 60A, 80A, 100A, 120A, and 150A. Samples were characterized

by XRF characterization to determine the composition of the alloy after melting process. The process was

continued with the homogenization process in a temperature of 1300oC and a constant holding time for 2

hours. Then XRF characterization was done again to determine the element of this alloy after

homogenization process. Based on X-Ray Diffraction (XRD) test results, the elemental composition after

melting process is not much different from the element content after homogenization. The composition of

elements that can maintain the original element content can be found at melting electrical current of 150

A. X-Ray Diffraction (XRD) identification test result shows that the phase and 𝜎 phase was each formed

by 31,45% at the current of 150 A. Based on the hardness test results on samples of melting current

variation of 60 A and 150 A, the sample with the lowest hardness or the closest to the hardness of bone

implants is the sample with 150 A current which is equal to 344,74 ± 8,12 VHN.

Keywords: cobalt alloy, homogenization, arc melting furnace, XRD, XRF

PENDAHULUAN

Pesatnya perkembangan teknologi implantasi memacu teknolog dan ilmuan berpikir keras

bagaimana menemukan solusi yang tepat terkait permasalahan seputar implantasi. Piranti implan

adalah suatu bagian yang tak dapat dipisahkan dari permasalahan tersebut. Kecocokan piranti

implan dengan lingkungannya merupakan salah satu garansi kesuksesan proses tersebut, maka

dari itu proses pembentukan tulang dengan pertimbangan kecocokan dari sisi anatomi maupun

mekanisnya perlu dipelajari dan diteliti lebih lanjut (Satriodamar, 2012).

Paduan kobalt memiliki tingkat biokompatibilitas yang lebih rendah dari pada paduan

titanium, akan tetapi memiliki sifat mekanik yang hampir sama dan harganya lebih murah

dibandingkan dengan paduan titanium. Jika dibandingkan dengan stainless steel, paduan kobalt

memiliki sifat biokompatibel, tahan terhadap korosi dan sifat mekanik yang lebih baik, walaupun

harganya lebih tinggi dibandingkan stainless steel (Sulistioso dkk, 2010).

Paduan kobalt menggunakan 3 unsur utama yaitu cobalt (Co), chromium (Cr) dan

molybdenum (Mo). Komposisi paduan kobalt sesuai ASTM F 75 sebagai berikut, Cr 27-30 %,

Mo 5-7 %, Mn <0,5 %, C <0,35 %, Fe <0,75 %, Ni <0,5 %, Co 63-65 %. Material kobalt

merupakan material utama pada komposisi kobalt.Material ini bersifat tahan korosi serta tahan

aus.Material Chromium ditambahkan untuk meningkatkan kekerasan dan ketahanan korosi,

khususnya ketahanan terhadap korosi lokal.Chromium membentuk lapisan oksida Cr2O3yang

kuat, berfungsi sebagai lapisan pasif untuk membentengi material utama di bawahnya, sedangkan

molibdenum sangat berperan aktif dalam ketahanan korosi terutama korosi sumuran (pitting) dan

korosi celah (crevice). Molibdenum merupakan penstabil lapisan pasif yang telah terbentuk oleh

Khromium sehingga lapisan pasif akan lebih tahan terhadap serangan dari senyawaan yang

menyerang lapisan pasif (Sulistioso dkk, 2010).

Salah satu alat yang dapat digunakan untuk proses peleburan paduan kobalt adalah Arc

Melting Furnace (AMF). Pemanfaatan AMF untuk peleburan pernah dilakukan oleh Sudaryadi

untuk peleburan pasir zirconia dengan menggunakan variasi arus dan waktu. Pada variasi arus

listrik 70 sampai 90 Ampere menunjukkan massa sampel yang dapat dilebur, yaitu sebesar

1,17623 gram sampai 2,17623 gram. Hanya saja pada arus peleburan 95 Ampere sampel yang

dapat dilebur tidak berbeda jauh dengan sampel yang dilebur dengan arus listrik peleburan

sebesar 90 Ampere yaitu sebesar 2,17745 gram. Hal ini menunjukkan ada batas arus listrik

optimum dimana massa sampel tertinggi dapat dilebur. Massa sampel yang dilebur tergantung

daya tungku, sementara daya berbanding lurus dengan kuadrat arus, maka semakin besar arus

akan semakin tinggi suhu yang ditimbulkan sehingga semakin banyak sampel yang dapat dilebur

(Sudaryadi, 2008).

BAHAN DAN METODE PENELITIAN

Bahan

Bahan yang digunakan dalam penelitian ini yaitu serbuk cobalt, serbuk chromium,

molybdenum,nitrogen, silikon, mangan.

Metode Penelitian

Sampel dibuat dengan mencampurkan masing-masing bahan sesuai komposisi menggunakan

High Energy Milling (HEM). Kemudian dibuat bentuk pelletmelalui proses kompaksi dengan

tekanan 12 ton. Setelah itu sampel dilebur dengan mesin Arc Melting Furnace (AMF) dengan

pemberian arus listrik sebesar 60, 80, 100, 120, dan 150 Ampere.Untuk mengetahui unsur dalam

sampel setelah peleburan, maka diuji XRF. Kemudian dilanjutkan dengan proses homogenisasi

dengan pemberian suhu sebesar 13000C selama 2 jam. Homogenisasi bertujuan agar unsur yang

terkandung dalam sampel bersifat homogen.Kemudian diuji kembali komposisi unsur tiap sampel

menggunakan XRF.Untuk mengetahui sudah terbentuk paduan dengan mengidentifikasi fasa,

maka dilakukan uji XRD. Diakhir proses penelitian ini dilakukan uji kekerasan untuk mengetahui

sifat kekerasan masing-masing sampel.

Hasil dan Pembahasan

Sampel yang telah dilebur diuji komposisi dengan XRF. Karakterisasi XRFakan

menunjukkan komposisi tiap unsur masing-masing sampel.

Variasi

Arus

(Ampere)

Rerata komposisi unsur (%)

Co Cr Mn Mo Si N

Awal Sesudah Awal Sesudah Awal Sesudah Awal Sesudah Awal Sesudah Awal Sesudah

60 62,25 60,50 31,50 34,70 0,50 0,50 5,00 4,30 0,5 0 0,25 0

80 62,25 63,44 31,50 28,79 0,50 0,43 5,00 4,83 0,5 0 0,25 0

100 62,25 63,49 31,50 28,86 0,50 0,34 5,00 4,75 0,5 0 0,25 0

120 62,25 65,18 31,50 26,76 0,50 0,35 5,00 5,03 0,5 0 0,25 0

150 62,25 61,47 31,50 30,18 0,50 0,50 5,00 4,17 0,5 0 0,25 0

Tabel 1.Hasil uji XRF setelah proses peleburan

Tabel 1 menunjukkan hasil XRF setelah proses peleburan dengan variasi arus listrik

sebesar 60, 80, 100, 120, dan 150 Ampere. Berdasarkan tabel diatas, nampak hasil proses

peleburan dengan suhu yang relatif tinggi, ternyata sampel setelah diuji menggunakan XRF

komposisinya berubah. Hal ini dikarenakan tiap-tiap unsur memiliki titik leleh yang berbeda-

beda. Pada saat peleburan dimana diberikan variasi arus yang semakin besar dan suhu didalam

chamber yang relatif tinggi, memungkinkan unsur yang memiliki titik leleh yang rendah dan

memiliki komposisi yang sedikit akan menguap bahkan hilang, sehingga setelah peleburan massa

sampel juga berkurang.

Unsur Nitrogen dan Silikon tidak ada sama sekali. Hal ini dikarenakan Nitrogen memiliki titik

leleh yang sangat rendah, yaitu (-210,10C), sedangkan Silikon sebesar 14140C. Karena unsur

Silikon dan Nitrogen memiliki komposisi yang relatif sedikit, sehingga pada saat peleburan

memungkinkan unsur tersebut menguap semua.

Sampel kemudian dihomogenisasi dengan suhu sebesar 13000C selama 2 jam dan diuji

kembali komposisi tiap unsurnya.

Variasi

Arus

(Ampere)

Rerata komposisi unsur (%)

Co Cr Mn Mo

Sebelum Sesudah Sebelum Sesudah Sebelum Sesudah Sebelum Sesudah

60 60,50 63,65 ± 5,75 34,70 28,73 ± 4,58 0,50 0,61 ± 0,09 4,30 3,70 ± 0,63

80 63,44 64,75 ± 0,16 28,79 27,54 ± 0,12 0,43 0,27 ± 0,03 4,83 5,44 ± 0,10

100 63,49 61,19 ± 1,95 28,86 30,05 ± 1,26 0,34 0,43 ± 0,08 4,75 5,79 ± 0,42

120 65,18 65,04 ± 0,52 26,76 26,38 ± 0,31 0,35 0,37 ± 0,01 5,03 5,55 ± 0,09

150 61,47 63,94 ± 0,13 30,18 28,18 ± 0,17 0,50 0,35 ± 0,04 4,17 5,08 ± 0,23

Tabel 2.Hasil uji XRF sebelum dan sesudah proses homogenisasi

Hasil uji XRF setelah homogenisasi diketahui nilai komposisi yang sangat beragam. Hal

ini memungkinkan pada waktu proses peleburan chamber tidak vakum, ada bagian kaca yang

sedikit berlubang, sehingga mengakibatkan banyak oksigen dari luar yang masuk kedalam ruang

peleburan. Penggunaan arus peleburan yang terkecil membutuhkan waktu agak lama untuk

memastikan sampel melebur sempurna daripada arus yang semakin besar yang membutuhkan

waktu yang relatif cepat untuk terlebur. Pada proses homogenisasi atom-atom diharapkan

tersebar dan berdifusi agar bersifat homogen. Namun hasil dari homogenisasi ternyata

komposisinya pun beragam.Hal ini memungkinkan sampel belum homogen sempurna. Hasil

komposisi XRF ini akan berpengaruh terhadap pembentukan fasa yang dibahas pada hasil XRD.

Karakterisasi XRD pada paduan kobalt dilakukan setelah proses pembuatan paduan

kobalt. Tujuannya yaitu mengetahui fasa yang terbentuk setelah proses pembuatan paduan kobalt.

Paduan kobalt memiliki 3 fasa terbentuk yang mempunyai tiga struktur kristal yaitu kisi Kristal

fcc (fasa γ), kisi Kristal hcp (fasa ε), dan kisi Kristal tetragonal (fasa σ) (Prihantoko, 2011). Hasil

uji XRD sampel paduan kobalt ditunjukkan pada gambar berikut.

Gambar 1.a Hasil XRD Arus Listrik Peleburan 60 Ampere

Int

en

sit

as

Sudut

Gambar 1.b Hasil XRD Arus Listrik Peleburan 80 Ampere

Gambar 1.c Hasil XRD Arus Listrik Peleburan 100 Ampere

Gambar 1.d Hasil XRD Arus Listrik Peleburan 120 Ampere

Int

en

sit

as

Sudut

Int

en

sit

as

Sudut

Int

en

sit

as

Sudut

Gambar 1.e Hasil XRD Arus Listrik Peleburan 150 Ampere

Data yang tersaji pada Gambar 1 dilakukan analisis secara manual dikarenakan pada

ICDD/ICSD/JCPDS tidak ditemukan database yang sesuai. Analisis secara manual ini dilakukan

dengan cara mencari selisih antara 2θ yang terbentuk dengan nilai yang ada pada literatur

sehingga didapat ∆2θ. Agar nilai ∆2θ yang didapat dapat memenuhi fasa pada literatur maka

nilainya harus kurang dari nilai FWHM dari data sampel.Persentase fraksi volume dapat dilihat

pada Tabel 3 berikut.

Variasi

Arus

(Ampere)

Persentase Fraksi Volume (%)

Fasa γ

(FCC)

Fasa ε

(HCP)

Fasa σ

(tetragonal)

Co-

Hexagonal

Co-Cr

Hexagonal

CoCr2O4 Impuriti

60 47,005 0 0 0 0 0 52,994

25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 752Theta (°)

0

1000

2000

3000

4000

Inte

nsity (

counts

)

Gambar 2. Grafik gabungan hasil XRD

Int

en

sit

as

Sudut

80 0 0 2,231 45,448 0 0 52,320

100 0 1,458 1,178 45,165 0 0 52,197

120 9,915 0 67,312 0 0 3,587 19,184

150 47,940 0 1,869 0 4,492 0 45,697

Tabel 3 Identifikasi Fasa Paduan Kobalt Setelah Homogenisasi

Hasil identifikasi fasa pada Gambar 1 dan Tabel 3 menunjukkan bahwa pada arus listrik

yang rendah yaitu 60 Ampere memiliki fasa 𝛾 yang relatif banyak. Hal ini dikarenakan sampel

belum terlebur sempurna.Namun semakin meningkatnya arus, maka semakin banyak sampel

yang terlebur, sehingga mengakibatkan banyak fasa yang teridentifikasi, juga terdapatnya oksida.

Nampak persentase fasa semakin banyak teridentifikasi dan persentase fasa 𝛾 tidak terlalu besar

karena diimbangi oleh adanya fasa yang lain, artinya paduan tidak bersifat tidak terlalu keras

seperti hasil pada arus 60 Ampere yang memiliki persentase fasa 𝛾 yang besar namun tidak

diimbangi oleh hadirnya fasa lain. Hasil ini akan mempengaruhi dalam sifat mekanik yang

dibahas pada hasil uji kekerasan.

Pengujian kekerasan dilakukan dengan pengujian Vickers dengan beban 1 kgf di 5 titik

pengujian untuk setiap sampelnya. Pengujian kekerasan dilakukan diakhir proses pembuatan

paduan kobalt. Dari hasil uji kekerasan ini tidak hanya dilihat pada kekerasan yang tertinggi saja

karena penelitian ini juga dimaksudkan untuk melihat kelayakan dari paduan sebagai material

implan tulang. Oleh karena itu, dari hasil uji kekerasan yang ada akan disesuaikan rentang nilai

kekerasan yang disarankan oleh ASTMF F75. Adapun hasil uji kekerasan dari sampel variasi arus

peleburan tersaji pada Tabel 4 berikut.

Variasi Arus (Ampere) VHN

60 439,96 ± 18,586

80 410,62 ± 15,227

100 411,10 ± 16,935

120 432,70 ± 32,029

150 344,74 ± 8,120

Tabel 4 Hasil Uji Kekerasan (Vickers Hardness)

Data hasil uji kekerasan pada Tabel 4.4 dapat digambarkan kedalam grafik batang dari

tingkat kekerasan sampel variasi arus peleburan yang disajikan pada Gambar 3 berikut.

Gambar 3 Tingkat Kekerasan Paduan Hasil Variasi Arus Peleburan

Tingkat kekerasan ini diimbangi dengan besar persentase fasa gamma yang terbentuk pada

sampel variasi arus peleburan pada Tabel 3.Semakin besar persentase fasa gamma yang

terbentuk, maka kekerasannya semakin besar karena sampel lebih keras. Sedangkan semakin

kecil fasa gamma, kekerasannya akan semakin kecil.

Dari hasil uji Vickers hardness terlihat bahwa kekerasan tertinggi terdapat pada arus

sebesar 60 Ampere dengan tingkat kekerasan sebesar 439,96 ± 18,586 VHN. Namun sebagai

aplikasi implan tulang, kekerasan sampel yang mendekati syarat sebagai tulang kortikal sesuai

ASTMF F75 yaitu sampel dengan variasi arus sebesar 150 Ampere dengan nilai kekerasannya

344,74 ± 8,12 VHN. Pada hasil uji kekerasan untuk sampel jika disesuaikan dengan nilai

kekerasan yang diinginkan oleh ASTMF F75 adalah termasuk didalamnya. Oleh karena itu dapat

dikatakan arus optimal yang digunakan untuk pembuatan paduan kobalt dengan proses peleburan

adalah menggunakan arus sebesar 150 Ampere.

KESIMPULAN

1. Hasil uji XRF setelah proses peleburan dan homogenisasi menunjukkan masih adanya unsur-

unsur utama yang disintesis dengan komposisi Co antara 60,50-65,18, Cr antara 26,76-34,70,

Mo antara 4,17-5,03.

2. Fasa secara optimal terjadi pada arus 150 Ampere dengan persentase gamma sebesar

47,940%, Co-Cr Hexagonal sebesar 4,492%, fasa sigma sebesar 1,869%, dan impurity

sebesar 45,697%.

3. Nilai kekerasan yang disyaratkan untuk implan tulang yaitu sebesar 344,74 ± 8,12 VHN

diperoleh pada sampel arus 150 Ampere.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

60 80 100 120 150

Nila

i Kek

eras

an (

VH

N)

Variasi Arus (Ampere)

koreksi

vhn

DAFTAR PUSTAKA

Prihantoko, Adi Danang. 2011. Karakterisasi Paduan Cocrmo Dengan PelapisanTitanium Nitrida

Dan Hidroksiapatit-Kitosan.Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam.Institut

Pertanian Bogor. Jawa Barat

Satriodamar, 2012 ,http://satriodamar.blogspot.com/2012/09/perlakuan-titanium-sebagai-bahan-

implan.html, Diakses pada tanggal 17 September 2013.

Sudaryadi, dkk, 2008, Pengaruh Arus Dan Waktu Tungku Busur Listrik Dalam Proses

Pembuatan Zirkonium Karbida, Prosiding Seminar Nasional, Penelitian Dan

Pengelolaan Perangkat Nuklir, Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan,

Yogyakarta.

Sulistioso G., Sukaryo, dkk, 2011, Sintesis, Analisis Korosi dan Toksisitas pada material

Biokompatibel Co-Cr-Mo, Pusat Teknologi bahan Industri- Batan.

Susanto, Efinda Putri Normasari, 2013, Sintesis dan Karakterisasi Paduan Kobalt dengan variasi

Cr Melalui Metode Peleburan Sebagai Material Implan, Skripsi Fakultas Sains dan

Teknologi Universitas Airlangga.

Wiranata, Hezti, 2012, Sintesis Paduan Kobalt dengan Variasi Kandungan Nitrogen, FIS IPB,

Bogor.

Yuswono dan Andika Pramono.2010.Pembuatan Paduan Logam Co-30%Cr-6%Mo Melalui

Pengerjaan Kompak dan Sinter dan Pengaruhnya terhadap Kandungan Si.Banten: Pusat

Penelitian Metalurgi – LIPI.