Sintesis Paduan CoCrMo dengan Variasi Kandungan Nitrogen.
SINTESIS PADUAN CoCrMo
DENGAN VARIASI KANDUNGAN NITROGEN
HEZTI WIRANATA
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2012
ABSTRAK
HEZTI WIRANATA. Sintesis Paduan CoCrMo dengan Variasi Kandungan
Nitrogen. Dibimbing oleh M. NUR INDRO dan SULISTIOSO GIAT
SUKARYO.
Sintesis paduan CoCrMo dengan komposisi utama Co-30%Cr-5%Mo dan
variasi nitrogen antara 0% sampai 1% dilakukan melalui metode forging serta
rolling pada temperatur 1250 oC selama 2,5 jam. Nitrogen dalam paduan CoCrMo
berfungsi untuk menstabilkan fasa γ sehingga mampu dihasilkan paduan yang
baik untuk dilakukan pengerjaan tempa. Namun berdasarkan hasil penelitian
masih terdapat fasa ε dan σ dalam paduan CoCrMo sehingga mengkibatkan
keretakan pada saat deformasi karena bidang slip yang tidak terarah. Untuk
meningkatkan kekerasan paduan CoCrMo dilakukan penambahan unsur nitrogen
karena atom nitrogen berdifusi secara interstisi didalam paduan. Peningkatan
kekerasan yang signifikan sebesar 23% terjadi pada sampel dengan kandungan
nitrogen 0,35% jika dibandingkan dengan paduan CoCrMo tanpa nitrogen.
Penambahan N sebesar 1% memiliki tingkat kekerasan maksimal yaitu 689,33
kgf/mm2. Laju korosi yang paling baik ditunjukkan oleh sampel tanpa nitrogen
yaitu sebesar 0,0025 mpy. Perbedaan nilai laju korosi ini dipengaruhi oleh kondisi
permukaan paduan CoCrMo. Paduan dengan N=0,6% memiliki laju korosi
terbesar yaitu 0,039 mpy karena terdapat keretakan pada permukaan paduan yang
cukup besar. Struktur mikro paduan Co-30%Cr-5%Mo pada pengerjaan forging
menunjukkan keberadaan struktur kristal hcp didalam matrik fcc. Penambahan
nitrogen pada paduan CoCrMo menjadikan ukuran butir lebih besar sehingga
mengakibatkan ketahanan fatigue yang rendah dan kegagalan klinis.
Kata kunci: CoCrMo, fasa (γ , ε , σ ), tingkat kekerasan, laju korosi, struktur
mikro.
SINTESIS PADUAN CoCrMo
DENGAN VARIASI KANDUNGAN NITROGEN
Skripsi
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada
Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Pertanian Bogor
Oleh:
HEZTI WIRANATA
G74080055
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2012
Judul penelitian
: Sintesis Paduan CoCrMo dengan Variasi Kandungan
Nitrogen.
Nama
: Hezti Wiranata
Nim
: G74080055
Disetujui :
Pembimbing I
Pembimbing II
Drs. M. Nur Indro, M.Sc
Drs. Sulistioso Giat Sukaryo, M.T
NIP. 19561015 198703 1 001
NIP. 19570826 198801 1 001
Mengetahui,
Ketua Departemen Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Pertanian Bogor
Dr. Akhirudin Maddu, M.si
NIP 19660907 199802 1 006
Tanggal lulus
:
i
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas rahmat dan karuniaNya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi dengan judul ”Sintesis Paduan
CoCrMo dengan Variasi Kandungan Nitrogen”. Skripsi ini diajukan untuk memenuhi
salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Fisika,
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor.
Terselesaikannya skripsi ini tidak lepas dari bantuan berbagai pihak oleh karena itu
penulis banyak mengucapkan terima kasih kepada:
1.
Bapak Drs. M. Nur Indro, M.Sc selaku pembimbing pertama dan Bapak Drs.
Sulistioso Giat Sukaryo, MT selaku pembimbing kedua yang telah memberikan
bimbingan dan semangat kepada penulis selama penelitian dan penyusunan karya
ilmiah ini.
2. Bapak Joko, Bapak Yuswono, Bapak Bambang, Bapak Anton yang telah membantu
dalam jalannya proses penelitian.
3.
Ayah, Ibu, adik, nenek serta keluarga besar yang telah mendukung sepenuhnya
dalam perkuliahan saya.
4. Bayu lesmana putra, rifka, pram, bambang, yuliyan, dan rekan-rekan seperjuangan
yang telah memotivasi selama kuliah.
Penulis menyadari bahwa laporan hasil penelitian ini masih belum sempurna,
sehingga segala saran dan kritik yang dapat membangun dalam mengerjakan penelitian
ini sangat penulis harapkan. Semoga kita selalu berada dalam naungan rahmat dan
hidayah Allah SWT Amien.
Bogor, 23 Juli 2012
Penulis
ii
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Tegal pada tanggal 26 Juni 1990 dari
ayah Murtedjo dan ibu Mastinah. Penulis merupakan putri
pertama dari tiga bersaudara. Tahun 1996 penulis menyelesaikan
sekolah taman kanak-kanak di TK Sacharina Pangkah. Tahun
2002 penulis menyelesaikan sekolah di SD Negeri 1 Pangkah
dan pada tahun 2005 penulis menyelesaikan sekolahnya di SMP
Negeri 1 Slawi. Tahun 2008 penulis lulus dari SMA Negeri 1 Slawi dan pada tahun yang
sama lulus seleksi masuk IPB melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB. Penulis
memilih Program Studi Fisika, Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan Alam.
Selama mengikuti perkuliahan, penulis aktif sebagai pengajar private Fisika dan
asisten praktikum matakuliah Fisika Dasar TPB serta aktif diberbagai organisasi dan
himpunan mahasiswa Fisika.
iii
DAFTAR ISI
Halaman
KATA PENGANTAR ........................................................................................
i
RIWAYAT HIDUP ............................................................................................
ii
DAFTAR ISI.......................................................................................................
iii
DAFTAR TABEL...............................................................................................
v
DAFTAR GAMBAR ..........................................................................................
vi
DAFTAR LAMPIRAN .......................................................................................
vii
PENDAHULUAN ..............................................................................................
1
Latar Belakang ..........................................................................................
1
Tujuan Penelitian ......................................................................................
2
Perumusan Masalah ..................................................................................
2
Hipotesis ...................................................................................................
2
TINJAUAN PUSTAKA .....................................................................................
2
Paduan CoCrMo .......................................................................................
2
Paduan Kobalt untuk Aplikasi Medis .......................................................
3
Korosi Paduan Kobalt ...............................................................................
3
Potensiostat ...............................................................................................
4
Difraksi sinar-x .........................................................................................
5
Vickers Hardness ......................................................................................
6
Mikroskop Optik.......................................................................................
6
BAHAN DAN METODE ...................................................................................
7
Tempat dan Waktu Penelitian ...................................................................
7
Bahan dan Alat ........................................................................................
7
Metode Penelitian .....................................................................................
7
Preparasi bahan dan alat ..................................................................
7
iv
Sintesis paduan CoCrMo .................................................................
7
Proses kompaksi ..............................................................................
7
Peleburan dengan arc melting furnace ............................................
7
Proses Homogenisasi .......................................................................
8
Forging dan rolling .........................................................................
8
Preparasi spesimen untuk karakterisasi ...........................................
8
Pemotongan sampel .........................................................................
8
Mounting .........................................................................................
8
Grinding ..........................................................................................
8
Polishing..........................................................................................
8
Etching ............................................................................................
9
Karakterisasi ....................................................................................
9
Karakterisasi sampel dengan XRD..................................................
9
Karakterisasi sampel dengan potensiostat .......................................
9
Karakterisasi sampel dengan vickers hardness tester......................
9
Karakterisasi sampel dengan mikroskop optik ................................
9
HASIL DAN PEMBAHASAN...........................................................................
10
Hasil sintesis paduan CoCrMo................................................................
10
Hasil karakterisasi XRD ..........................................................................
10
Hasil pengukuran uji korosi menggunakan potensiostat .........................
13
Hasil pengukuran kekerasan sampel dengan hardness vickers tester......
14
Hasil pengamatan struktur mikro menggunakan mikroskop optik ..........
15
KESIMPULAN DAN SARAN...........................................................................
16
Kesimpulan ..............................................................................................
16
Saran ........................................................................................................
16
DAFTAR PUSTAKA .........................................................................................
17
LAMPIRAN ........................................................................................................
19
v
DAFTAR TABEL
Halaman
1 Komposisi CoCrMo (ASTM F75) ..................................................................
3
2 Komposisi paduan CoCrMo …………………………………………...........
7
3 Perlakuan karakterisasi sampel CoCrMo …………………………………...
8
4 Data perubahan intensitas fasa γ paduan CoCrMo dan parameter kisi............
11
5 Data perubahan intensitas fasa ε paduan CoCrMo dan parameter kisi………
11
6 Data perubahan intensitas fasa σ paduan CoCrMo dan parameter kisi………
11
7 Nilai ketepatan parameter kisi……………………………………………….
13
vi
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1
Endoprostetik lutut .......................................................................................
2
Posisi elektroda pembanding dan elektroda kerja pada kapiler
1
Luggin sel ektrokimia ...................................................................................
4
3
Rangkaian peralatan potensiostat model 273 ...............................................
4
4
Skema terjadinya difraksi oleh kisi kristal ...................................................
5
5
Diagram meja rotasi, sumber sinar-X, dan detektor pada XRD ...................
5
6
Indentor intan pada vickers hardness test .....................................................
6
7
Mikroskop dan bagian - bagiannya ..............................................................
6
8
Pembentukan bayangan pada mikroskop .....................................................
7
9
Foto hasil sintesis CoCrMo ..........................................................................
10
10 Pola difraksi XRD CoCrMo .............................................................................
12
11 Diagram laju korosi paduan CoCrMo pada variasi kandungan N ................
13
12 Diagram tingkat kekerasan paduan CoCrMo pada variasi kandungan N .....
14
13 Hasil difusi nitrogen dalam paduan CoCrMo ..............................................
14
14 Foto optik paduan CoCrMo ..........................................................................
15
vii
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1
Diagram alir penelitian .................................................................................
20
2
Peralatan yang digunakan untuk sintesis CoCrMo .......................................
21
3
Diagram biner Co-Cr ....................................................................................
22
4
Komposisi dan kekuatan mekanik paduan CoCrMo casting dan forging ....
22
5
Konsentrasi ion SBF dan plasma darah manusia..........................................
22
6
Komposisi SBF.............................................................................................
22
7
Literatur difraktogram CoCrMo...................................................................
23
9
Analisis identifikasi fasa...............................................................................
25
10 Menentukan parameter kisi ..........................................................................
28
Menentukan parameter kisi fasa γ CoCrMo ............................................
28
Menentukan parameter kisi fasa ε CoCrMo ............................................
29
Menentukan parameter kisi fasa σ CoCrMo ............................................
32
11 Data hasil uji korosi .....................................................................................
35
12 Data hasil uji keras vickers ..........................................................................
35
13 Gambar literatur struktur mikro paduan CoCrMo .......................................
36
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Permintaan
dan
penggunaan
biomaterial berbasis logam meningkat
tajam akhir-akhir ini seiring dengan
banyaknya kasus kecelakaan dan
penyakit tulang seperti
penyakit
osteoartritis
dan
osteoporosis.1
Osteoartritis merupakan kerusakan sendi
tulang rawan ditandai dengan nyeri,
hambatan gerak sendi-sendi tangan dan
sendi besar yang menanggung beban.
Pada osteoporosis tulang menjadi rapuh
karena kekurangan kalsium. Penyakit
osteoporosis ini sebagian besar dialami
pada
masyarakat
usia
lanjut.1
Diperkirakan penggunaan biomaterial
dari logam sebagai pengganti tulang
pangkal paha akan mencapai jumlah
272.000 buah pada tahun 2030.2
Tulang rawan sendi yang rusak
dapat digantikan dengan endoprostetik
seperti terlihat pada Gambar 1.
Endoprostetik merupakan alat bantu
gerak yang di implan dalam tubuh
terbuat dari logam atau polimer.
Endoprostetik dapat digunakan selama
15 sampai 20 tahun hingga permukaan
tulang yang berada pada endoprostetik
mengalami keropos sehingga diperlukan
penanganan lanjutan.3
Sifat utama yang harus dimiliki oleh
biomaterial berbasis logam adalah
kesesuaian dengan sel hidup, karena
biomaterial ini akan ditanam dalam
tubuh serta berhubungan langsung
dengan sel hidup. Logam tersebut tidak
boleh melepaskan ion-ion bersifat racun
atau karsinogen bagi sel dan tubuh
manusia.2
Gambar 1. Endoprostetik lutut
Pemakaian alat implan di dalam
tubuh juga harus memenuhi syarat
mekanik dan non mekanik. Syarat
mekanik: daya pakai yang lama dan
kekuatan mekanik bahan implan.4 Syarat
non mekanik: memiliki ketahanan korosi
dan biokompatibilitas yang baik.4
Kesuksesan aplikasi piranti implan
tulang
juga
tergantung
pada
osseointegrasi (proses pembentukan
tulang baru dan penyembuhan tulang).
Proses osseointegrasi dipengaruhi oleh
banyak faktor diantaranya anatomi,
ukuran implan, desain, lingkungan
biologis, umur, dan secara khusus
karakteristik
permukaan
implan
diantaranya komposisi kimia, struktur
morfologi dan kristalografi, kekasaran
serta porositas.5,6
Material implan yang sudah banyak
digunakan secara umum diantaranya
adalah stainless steel, paduan Co-Cr,
dan paduan titanium. Stainlees steel
kurang baik untuk bahan biomaterial
karena mudah terserang korosi yang
sifatnya lokal seperti korosi batas butir.
Sementara itu titanium mempunyai
kekuatan yang tinggi, ringan, dan
ketahanan korosi yang lebih baik bila
dibandingkan dengan Co-Cr dan
stainless steel. Lapisan titanium oksida
pada permukaan paduan titanium tahan
terhadap korosi. Meskipun paduan
logam titanium memiliki tingkat
biokompatibilitas yang tinggi, namun
harga logam ini sangat mahal. Selain itu
pada paduan logam Ti-6%Al-4%V juga
masih mengandung adanya ion Al dan
ion V yang ditemukan berbahaya untuk
sel dan sistem saraf manusia. Paduan
CoCrMo selain harganya murah juga
memiliki
sifat
mekanik
dan
biokompatibilitas yang lebih baik
dibandingkan stainless steel namun
setingkat lebih rendah dari paduan
titanium.2
Pada penelitian ini dibuat paduan
logam CoCrMo menggunakan cara
forging dan rolling. Komposisi paduan
Co-Cr-Mo yang digunakan sebagai
prostetik lutut pada penelitian ini
merujuk pada komposisi berbasis ASTM
F75 (American Society for Testing and
Materials F75) seperti pada Tabel 1
(halaman 3) dengan memvariasikan
kandungan nitrogennya.4
2
Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk :
1. Mensintesis paduan CoCrMo dengan
memvariasikan massa nitrogen.
2. Mengukur laju korosi paduan
CoCrMo menggunakan potensiostat.
3. Mengukur
kekerasaan
paduan
CoCrMo
menggunakan
Vickers
hardness tester.
4. Melakukan karakterisasi struktur
kristal
Paduan
CoCrMo
menggunakan
XRD
(X-Ray
Diffraction).
5. Mengamati
struktur
mikro
permukaan
paduan
CoCrMo
menggunakan mikroskop optik.
Perumusan Masalah
1. Bagaimana proses pembuatan paduan
CoCrMo?
2. Bagaimana
pengaruh
nitrogen
terhadap struktur kristal, kekerasan,
dan laju korosi paduan CoCrMo?
Hipotesis
1. Penambahan unsur nitrogen dalam
paduan CoCrMo dapat menstabilkan
fasa gamma.
2. Kekerasan dan laju korosi meningkat
seiring dengan penambahan unsur
nitrogen.
TINJAUAN PUSTAKA
Paduan CoCrMo
Paduan CoCrMo merupakan bahan
yang biokompatibel dan secara luas
digunakan sebagai bahan implan
ortopedi seperti sendi pinggul dan
penggantian lutut. Paduan ini bersifat
unggul
karena
memiliki
tingkat
biokompatibilitas,
sifat
mekanik,
ketahanan aus, dan korosi yang baik.6
Biokompatibilitas paduan CoCrMo
terkait erat dengan ketahanan korosi
yang sangat baik karena kehadiran dari
film oksida tipis yang secara spontan
terbentuk pada permukaan paduan. Film
oksida
tipis
berfungsi
sebagai
penghalang untuk proses korosi dalam
sistem paduan yang akan mengalami
tingkat korosi.6 Film oksida pasif ini
secara
spontan
terbentuk
pada
permukaan paduan berupa Cr2O3 dengan
beberapa kontribusi kecil dari Co dan
Mo oksida.7
Tiga elemen dasar paduan kobalt
menggunakan unsur kobalt, chromium
dan molibdenum. Material kobalt
merupakan material utama pada
komposisi CoCrMo. Material ini
berwarna perak keabu – abuan, tahan
korosi serta tahan aus.7 Chromium
ditambahkan
untuk
meningkatkan
kekerasan dan ketahanan korosi,
khususnya ketahanan terhadap korosi
lokal. Chromium membentuk lapisan
oksida yang kuat, berfungsi sebagai
lapisan pasif untuk membentengi
material utama di bawahnya dari
lingkungan sekitar.6 Molibdenum sangat
berperan aktif dalam ketahanan korosif
terutama korosi sumuran (pitting) dan
korosi celah (crevice). Molibdenum
merupakan penstabil lapisan pasif yang
telah terbentuk oleh Cr sehingga lapisan
pasif akan lebih tahan terhadap serangan
dari senyawaan yang menyerang lapisan
pasif.8
Material kobalt bersifat alotropik
yang mempunyai berbagai fasa dengan
variasi temperatur seperti terlihat pada
Lampiran 3 (halaman 22). Secara
termodinamika fase Co berstruktur
kristal lebih stabil pada temperatur
kamar sehingga umumnya paduan
kobalt menahan struktur fcc hingga
temperatur sekitar 1000 oC. Berdasarkan
diagram biner Co-Cr, kandungan Cr
sekitar 30% didalam Co-Cr, fasa dengan
kisi heksagonal bertransformasi menjadi
fasa γ dengan kisi kristal kubik pada
suhu diatas 950o C. Adanya transformasi
fasa ke kristal kubik ini memberi
peluang keberlangsungan proses difusi
sehingga pada kondisi ini dimana suhu
diatas 950oC memungkinkan untuk
dilakukan pengerjaan tempa. Namun
demikian pembentukan fasa σ sangat
mungkin terjadi karena fasa σ dengan
kisi kristal tetragonal masih tetap
terbentuk pada suhu tinggi hingga
1283oC.9 Munculnya fasa σ dengan kisi
kristal
tetragonal
ini
dapat
mengakibatkan
keretakan
pada
3
pengerjaan tempa sehingga sangat
penting
untuk
menghindari
pembentukan fasa σ (rapuh) dan
menjaga matriks dalam struktur kristal
fcc.10 Peningkatan struktur kristal fcc
dapat dilakukan dengan perlakuan panas
dan
tempa
serta
meningkatkan
komposisi krom (Cr) dan nitrogen.
Teknik
pembuatan
yang
dapat
digunakan dalam pembuatan paduan
CoCrMo adalah teknik peleburan dan
forging.9
Komposisi
paduan
CoCrMo
komersial merujuk pada klasifikasi
ASTM F75 (American Society for
Testing and Materials F75) berikut ini11:
Tabel 1. Komposisi CoCrMo (ASTM
F75)11
Unsur
Chromium, Cr
Molybdenum, Mo
Nickel, Ni
Iron, Fe
Carbon, C
Silicone, Si
Manganase, Mn
Nitrogen, N
Cobalt, Co
Wt %
27 – 30
5 -7
< 2,5
< 0,75
< 0,35
DENGAN VARIASI KANDUNGAN NITROGEN
HEZTI WIRANATA
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2012
ABSTRAK
HEZTI WIRANATA. Sintesis Paduan CoCrMo dengan Variasi Kandungan
Nitrogen. Dibimbing oleh M. NUR INDRO dan SULISTIOSO GIAT
SUKARYO.
Sintesis paduan CoCrMo dengan komposisi utama Co-30%Cr-5%Mo dan
variasi nitrogen antara 0% sampai 1% dilakukan melalui metode forging serta
rolling pada temperatur 1250 oC selama 2,5 jam. Nitrogen dalam paduan CoCrMo
berfungsi untuk menstabilkan fasa γ sehingga mampu dihasilkan paduan yang
baik untuk dilakukan pengerjaan tempa. Namun berdasarkan hasil penelitian
masih terdapat fasa ε dan σ dalam paduan CoCrMo sehingga mengkibatkan
keretakan pada saat deformasi karena bidang slip yang tidak terarah. Untuk
meningkatkan kekerasan paduan CoCrMo dilakukan penambahan unsur nitrogen
karena atom nitrogen berdifusi secara interstisi didalam paduan. Peningkatan
kekerasan yang signifikan sebesar 23% terjadi pada sampel dengan kandungan
nitrogen 0,35% jika dibandingkan dengan paduan CoCrMo tanpa nitrogen.
Penambahan N sebesar 1% memiliki tingkat kekerasan maksimal yaitu 689,33
kgf/mm2. Laju korosi yang paling baik ditunjukkan oleh sampel tanpa nitrogen
yaitu sebesar 0,0025 mpy. Perbedaan nilai laju korosi ini dipengaruhi oleh kondisi
permukaan paduan CoCrMo. Paduan dengan N=0,6% memiliki laju korosi
terbesar yaitu 0,039 mpy karena terdapat keretakan pada permukaan paduan yang
cukup besar. Struktur mikro paduan Co-30%Cr-5%Mo pada pengerjaan forging
menunjukkan keberadaan struktur kristal hcp didalam matrik fcc. Penambahan
nitrogen pada paduan CoCrMo menjadikan ukuran butir lebih besar sehingga
mengakibatkan ketahanan fatigue yang rendah dan kegagalan klinis.
Kata kunci: CoCrMo, fasa (γ , ε , σ ), tingkat kekerasan, laju korosi, struktur
mikro.
SINTESIS PADUAN CoCrMo
DENGAN VARIASI KANDUNGAN NITROGEN
Skripsi
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada
Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Pertanian Bogor
Oleh:
HEZTI WIRANATA
G74080055
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2012
Judul penelitian
: Sintesis Paduan CoCrMo dengan Variasi Kandungan
Nitrogen.
Nama
: Hezti Wiranata
Nim
: G74080055
Disetujui :
Pembimbing I
Pembimbing II
Drs. M. Nur Indro, M.Sc
Drs. Sulistioso Giat Sukaryo, M.T
NIP. 19561015 198703 1 001
NIP. 19570826 198801 1 001
Mengetahui,
Ketua Departemen Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Pertanian Bogor
Dr. Akhirudin Maddu, M.si
NIP 19660907 199802 1 006
Tanggal lulus
:
i
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas rahmat dan karuniaNya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi dengan judul ”Sintesis Paduan
CoCrMo dengan Variasi Kandungan Nitrogen”. Skripsi ini diajukan untuk memenuhi
salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Fisika,
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor.
Terselesaikannya skripsi ini tidak lepas dari bantuan berbagai pihak oleh karena itu
penulis banyak mengucapkan terima kasih kepada:
1.
Bapak Drs. M. Nur Indro, M.Sc selaku pembimbing pertama dan Bapak Drs.
Sulistioso Giat Sukaryo, MT selaku pembimbing kedua yang telah memberikan
bimbingan dan semangat kepada penulis selama penelitian dan penyusunan karya
ilmiah ini.
2. Bapak Joko, Bapak Yuswono, Bapak Bambang, Bapak Anton yang telah membantu
dalam jalannya proses penelitian.
3.
Ayah, Ibu, adik, nenek serta keluarga besar yang telah mendukung sepenuhnya
dalam perkuliahan saya.
4. Bayu lesmana putra, rifka, pram, bambang, yuliyan, dan rekan-rekan seperjuangan
yang telah memotivasi selama kuliah.
Penulis menyadari bahwa laporan hasil penelitian ini masih belum sempurna,
sehingga segala saran dan kritik yang dapat membangun dalam mengerjakan penelitian
ini sangat penulis harapkan. Semoga kita selalu berada dalam naungan rahmat dan
hidayah Allah SWT Amien.
Bogor, 23 Juli 2012
Penulis
ii
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Tegal pada tanggal 26 Juni 1990 dari
ayah Murtedjo dan ibu Mastinah. Penulis merupakan putri
pertama dari tiga bersaudara. Tahun 1996 penulis menyelesaikan
sekolah taman kanak-kanak di TK Sacharina Pangkah. Tahun
2002 penulis menyelesaikan sekolah di SD Negeri 1 Pangkah
dan pada tahun 2005 penulis menyelesaikan sekolahnya di SMP
Negeri 1 Slawi. Tahun 2008 penulis lulus dari SMA Negeri 1 Slawi dan pada tahun yang
sama lulus seleksi masuk IPB melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB. Penulis
memilih Program Studi Fisika, Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan Alam.
Selama mengikuti perkuliahan, penulis aktif sebagai pengajar private Fisika dan
asisten praktikum matakuliah Fisika Dasar TPB serta aktif diberbagai organisasi dan
himpunan mahasiswa Fisika.
iii
DAFTAR ISI
Halaman
KATA PENGANTAR ........................................................................................
i
RIWAYAT HIDUP ............................................................................................
ii
DAFTAR ISI.......................................................................................................
iii
DAFTAR TABEL...............................................................................................
v
DAFTAR GAMBAR ..........................................................................................
vi
DAFTAR LAMPIRAN .......................................................................................
vii
PENDAHULUAN ..............................................................................................
1
Latar Belakang ..........................................................................................
1
Tujuan Penelitian ......................................................................................
2
Perumusan Masalah ..................................................................................
2
Hipotesis ...................................................................................................
2
TINJAUAN PUSTAKA .....................................................................................
2
Paduan CoCrMo .......................................................................................
2
Paduan Kobalt untuk Aplikasi Medis .......................................................
3
Korosi Paduan Kobalt ...............................................................................
3
Potensiostat ...............................................................................................
4
Difraksi sinar-x .........................................................................................
5
Vickers Hardness ......................................................................................
6
Mikroskop Optik.......................................................................................
6
BAHAN DAN METODE ...................................................................................
7
Tempat dan Waktu Penelitian ...................................................................
7
Bahan dan Alat ........................................................................................
7
Metode Penelitian .....................................................................................
7
Preparasi bahan dan alat ..................................................................
7
iv
Sintesis paduan CoCrMo .................................................................
7
Proses kompaksi ..............................................................................
7
Peleburan dengan arc melting furnace ............................................
7
Proses Homogenisasi .......................................................................
8
Forging dan rolling .........................................................................
8
Preparasi spesimen untuk karakterisasi ...........................................
8
Pemotongan sampel .........................................................................
8
Mounting .........................................................................................
8
Grinding ..........................................................................................
8
Polishing..........................................................................................
8
Etching ............................................................................................
9
Karakterisasi ....................................................................................
9
Karakterisasi sampel dengan XRD..................................................
9
Karakterisasi sampel dengan potensiostat .......................................
9
Karakterisasi sampel dengan vickers hardness tester......................
9
Karakterisasi sampel dengan mikroskop optik ................................
9
HASIL DAN PEMBAHASAN...........................................................................
10
Hasil sintesis paduan CoCrMo................................................................
10
Hasil karakterisasi XRD ..........................................................................
10
Hasil pengukuran uji korosi menggunakan potensiostat .........................
13
Hasil pengukuran kekerasan sampel dengan hardness vickers tester......
14
Hasil pengamatan struktur mikro menggunakan mikroskop optik ..........
15
KESIMPULAN DAN SARAN...........................................................................
16
Kesimpulan ..............................................................................................
16
Saran ........................................................................................................
16
DAFTAR PUSTAKA .........................................................................................
17
LAMPIRAN ........................................................................................................
19
v
DAFTAR TABEL
Halaman
1 Komposisi CoCrMo (ASTM F75) ..................................................................
3
2 Komposisi paduan CoCrMo …………………………………………...........
7
3 Perlakuan karakterisasi sampel CoCrMo …………………………………...
8
4 Data perubahan intensitas fasa γ paduan CoCrMo dan parameter kisi............
11
5 Data perubahan intensitas fasa ε paduan CoCrMo dan parameter kisi………
11
6 Data perubahan intensitas fasa σ paduan CoCrMo dan parameter kisi………
11
7 Nilai ketepatan parameter kisi……………………………………………….
13
vi
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1
Endoprostetik lutut .......................................................................................
2
Posisi elektroda pembanding dan elektroda kerja pada kapiler
1
Luggin sel ektrokimia ...................................................................................
4
3
Rangkaian peralatan potensiostat model 273 ...............................................
4
4
Skema terjadinya difraksi oleh kisi kristal ...................................................
5
5
Diagram meja rotasi, sumber sinar-X, dan detektor pada XRD ...................
5
6
Indentor intan pada vickers hardness test .....................................................
6
7
Mikroskop dan bagian - bagiannya ..............................................................
6
8
Pembentukan bayangan pada mikroskop .....................................................
7
9
Foto hasil sintesis CoCrMo ..........................................................................
10
10 Pola difraksi XRD CoCrMo .............................................................................
12
11 Diagram laju korosi paduan CoCrMo pada variasi kandungan N ................
13
12 Diagram tingkat kekerasan paduan CoCrMo pada variasi kandungan N .....
14
13 Hasil difusi nitrogen dalam paduan CoCrMo ..............................................
14
14 Foto optik paduan CoCrMo ..........................................................................
15
vii
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1
Diagram alir penelitian .................................................................................
20
2
Peralatan yang digunakan untuk sintesis CoCrMo .......................................
21
3
Diagram biner Co-Cr ....................................................................................
22
4
Komposisi dan kekuatan mekanik paduan CoCrMo casting dan forging ....
22
5
Konsentrasi ion SBF dan plasma darah manusia..........................................
22
6
Komposisi SBF.............................................................................................
22
7
Literatur difraktogram CoCrMo...................................................................
23
9
Analisis identifikasi fasa...............................................................................
25
10 Menentukan parameter kisi ..........................................................................
28
Menentukan parameter kisi fasa γ CoCrMo ............................................
28
Menentukan parameter kisi fasa ε CoCrMo ............................................
29
Menentukan parameter kisi fasa σ CoCrMo ............................................
32
11 Data hasil uji korosi .....................................................................................
35
12 Data hasil uji keras vickers ..........................................................................
35
13 Gambar literatur struktur mikro paduan CoCrMo .......................................
36
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Permintaan
dan
penggunaan
biomaterial berbasis logam meningkat
tajam akhir-akhir ini seiring dengan
banyaknya kasus kecelakaan dan
penyakit tulang seperti
penyakit
osteoartritis
dan
osteoporosis.1
Osteoartritis merupakan kerusakan sendi
tulang rawan ditandai dengan nyeri,
hambatan gerak sendi-sendi tangan dan
sendi besar yang menanggung beban.
Pada osteoporosis tulang menjadi rapuh
karena kekurangan kalsium. Penyakit
osteoporosis ini sebagian besar dialami
pada
masyarakat
usia
lanjut.1
Diperkirakan penggunaan biomaterial
dari logam sebagai pengganti tulang
pangkal paha akan mencapai jumlah
272.000 buah pada tahun 2030.2
Tulang rawan sendi yang rusak
dapat digantikan dengan endoprostetik
seperti terlihat pada Gambar 1.
Endoprostetik merupakan alat bantu
gerak yang di implan dalam tubuh
terbuat dari logam atau polimer.
Endoprostetik dapat digunakan selama
15 sampai 20 tahun hingga permukaan
tulang yang berada pada endoprostetik
mengalami keropos sehingga diperlukan
penanganan lanjutan.3
Sifat utama yang harus dimiliki oleh
biomaterial berbasis logam adalah
kesesuaian dengan sel hidup, karena
biomaterial ini akan ditanam dalam
tubuh serta berhubungan langsung
dengan sel hidup. Logam tersebut tidak
boleh melepaskan ion-ion bersifat racun
atau karsinogen bagi sel dan tubuh
manusia.2
Gambar 1. Endoprostetik lutut
Pemakaian alat implan di dalam
tubuh juga harus memenuhi syarat
mekanik dan non mekanik. Syarat
mekanik: daya pakai yang lama dan
kekuatan mekanik bahan implan.4 Syarat
non mekanik: memiliki ketahanan korosi
dan biokompatibilitas yang baik.4
Kesuksesan aplikasi piranti implan
tulang
juga
tergantung
pada
osseointegrasi (proses pembentukan
tulang baru dan penyembuhan tulang).
Proses osseointegrasi dipengaruhi oleh
banyak faktor diantaranya anatomi,
ukuran implan, desain, lingkungan
biologis, umur, dan secara khusus
karakteristik
permukaan
implan
diantaranya komposisi kimia, struktur
morfologi dan kristalografi, kekasaran
serta porositas.5,6
Material implan yang sudah banyak
digunakan secara umum diantaranya
adalah stainless steel, paduan Co-Cr,
dan paduan titanium. Stainlees steel
kurang baik untuk bahan biomaterial
karena mudah terserang korosi yang
sifatnya lokal seperti korosi batas butir.
Sementara itu titanium mempunyai
kekuatan yang tinggi, ringan, dan
ketahanan korosi yang lebih baik bila
dibandingkan dengan Co-Cr dan
stainless steel. Lapisan titanium oksida
pada permukaan paduan titanium tahan
terhadap korosi. Meskipun paduan
logam titanium memiliki tingkat
biokompatibilitas yang tinggi, namun
harga logam ini sangat mahal. Selain itu
pada paduan logam Ti-6%Al-4%V juga
masih mengandung adanya ion Al dan
ion V yang ditemukan berbahaya untuk
sel dan sistem saraf manusia. Paduan
CoCrMo selain harganya murah juga
memiliki
sifat
mekanik
dan
biokompatibilitas yang lebih baik
dibandingkan stainless steel namun
setingkat lebih rendah dari paduan
titanium.2
Pada penelitian ini dibuat paduan
logam CoCrMo menggunakan cara
forging dan rolling. Komposisi paduan
Co-Cr-Mo yang digunakan sebagai
prostetik lutut pada penelitian ini
merujuk pada komposisi berbasis ASTM
F75 (American Society for Testing and
Materials F75) seperti pada Tabel 1
(halaman 3) dengan memvariasikan
kandungan nitrogennya.4
2
Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk :
1. Mensintesis paduan CoCrMo dengan
memvariasikan massa nitrogen.
2. Mengukur laju korosi paduan
CoCrMo menggunakan potensiostat.
3. Mengukur
kekerasaan
paduan
CoCrMo
menggunakan
Vickers
hardness tester.
4. Melakukan karakterisasi struktur
kristal
Paduan
CoCrMo
menggunakan
XRD
(X-Ray
Diffraction).
5. Mengamati
struktur
mikro
permukaan
paduan
CoCrMo
menggunakan mikroskop optik.
Perumusan Masalah
1. Bagaimana proses pembuatan paduan
CoCrMo?
2. Bagaimana
pengaruh
nitrogen
terhadap struktur kristal, kekerasan,
dan laju korosi paduan CoCrMo?
Hipotesis
1. Penambahan unsur nitrogen dalam
paduan CoCrMo dapat menstabilkan
fasa gamma.
2. Kekerasan dan laju korosi meningkat
seiring dengan penambahan unsur
nitrogen.
TINJAUAN PUSTAKA
Paduan CoCrMo
Paduan CoCrMo merupakan bahan
yang biokompatibel dan secara luas
digunakan sebagai bahan implan
ortopedi seperti sendi pinggul dan
penggantian lutut. Paduan ini bersifat
unggul
karena
memiliki
tingkat
biokompatibilitas,
sifat
mekanik,
ketahanan aus, dan korosi yang baik.6
Biokompatibilitas paduan CoCrMo
terkait erat dengan ketahanan korosi
yang sangat baik karena kehadiran dari
film oksida tipis yang secara spontan
terbentuk pada permukaan paduan. Film
oksida
tipis
berfungsi
sebagai
penghalang untuk proses korosi dalam
sistem paduan yang akan mengalami
tingkat korosi.6 Film oksida pasif ini
secara
spontan
terbentuk
pada
permukaan paduan berupa Cr2O3 dengan
beberapa kontribusi kecil dari Co dan
Mo oksida.7
Tiga elemen dasar paduan kobalt
menggunakan unsur kobalt, chromium
dan molibdenum. Material kobalt
merupakan material utama pada
komposisi CoCrMo. Material ini
berwarna perak keabu – abuan, tahan
korosi serta tahan aus.7 Chromium
ditambahkan
untuk
meningkatkan
kekerasan dan ketahanan korosi,
khususnya ketahanan terhadap korosi
lokal. Chromium membentuk lapisan
oksida yang kuat, berfungsi sebagai
lapisan pasif untuk membentengi
material utama di bawahnya dari
lingkungan sekitar.6 Molibdenum sangat
berperan aktif dalam ketahanan korosif
terutama korosi sumuran (pitting) dan
korosi celah (crevice). Molibdenum
merupakan penstabil lapisan pasif yang
telah terbentuk oleh Cr sehingga lapisan
pasif akan lebih tahan terhadap serangan
dari senyawaan yang menyerang lapisan
pasif.8
Material kobalt bersifat alotropik
yang mempunyai berbagai fasa dengan
variasi temperatur seperti terlihat pada
Lampiran 3 (halaman 22). Secara
termodinamika fase Co berstruktur
kristal lebih stabil pada temperatur
kamar sehingga umumnya paduan
kobalt menahan struktur fcc hingga
temperatur sekitar 1000 oC. Berdasarkan
diagram biner Co-Cr, kandungan Cr
sekitar 30% didalam Co-Cr, fasa dengan
kisi heksagonal bertransformasi menjadi
fasa γ dengan kisi kristal kubik pada
suhu diatas 950o C. Adanya transformasi
fasa ke kristal kubik ini memberi
peluang keberlangsungan proses difusi
sehingga pada kondisi ini dimana suhu
diatas 950oC memungkinkan untuk
dilakukan pengerjaan tempa. Namun
demikian pembentukan fasa σ sangat
mungkin terjadi karena fasa σ dengan
kisi kristal tetragonal masih tetap
terbentuk pada suhu tinggi hingga
1283oC.9 Munculnya fasa σ dengan kisi
kristal
tetragonal
ini
dapat
mengakibatkan
keretakan
pada
3
pengerjaan tempa sehingga sangat
penting
untuk
menghindari
pembentukan fasa σ (rapuh) dan
menjaga matriks dalam struktur kristal
fcc.10 Peningkatan struktur kristal fcc
dapat dilakukan dengan perlakuan panas
dan
tempa
serta
meningkatkan
komposisi krom (Cr) dan nitrogen.
Teknik
pembuatan
yang
dapat
digunakan dalam pembuatan paduan
CoCrMo adalah teknik peleburan dan
forging.9
Komposisi
paduan
CoCrMo
komersial merujuk pada klasifikasi
ASTM F75 (American Society for
Testing and Materials F75) berikut ini11:
Tabel 1. Komposisi CoCrMo (ASTM
F75)11
Unsur
Chromium, Cr
Molybdenum, Mo
Nickel, Ni
Iron, Fe
Carbon, C
Silicone, Si
Manganase, Mn
Nitrogen, N
Cobalt, Co
Wt %
27 – 30
5 -7
< 2,5
< 0,75
< 0,35