KARAKTERISASI HAFNIUM CARBONITRIDE HASIL PRODUKSI PLASMA NITROGEN DALAM SISTEM AC DAN DC DENGAN MESIN EDAMM

  

KARAKTERISASI HAFNIUM CARBONITRIDE HASIL

PRODUKSI PLASMA NITROGEN DALAM SISTEM AC DAN

DC DENGAN MESIN EDAMM

₁ Iis Siti Aisyah, ST. MT. PhD.

  

Universitas Muhammadiyah Malang, Malang

Kontak Person:

  

Jl. Raya Tlogomas 246

Malang, 65144

E-mail: iisskh@yahoo.com

Abstrak

  

Teknologi yang umum digunakan untuk mensintesa Hafnium Carbonitride adalah sistem Vapour

Deposition, baik MOCVD (metal organic chemical vapour deposition) atau yang terbaru PACVD

(plasma assisted chemical vapour deposition). Namun instalasi pada sistem ini cenderung mahal dan

hasil deposit yang dihasilkan tidak homogen Studi ini mensintesa hafnium carbonitride menggunakan

mesin mechanical milling yang dibantu dengan electric discharge dalam plasma nitrogen atau dikenal

dengan EDAMM (electric discharge assisted mechanical milling), dimana serbuk Hf(C x N y ) berhasil

diproduksi. Metode experimen dilakukan dengan memvariasikan plasma nitrogen pada sistem AC dan

DC, waktu milling dan jarak gap elektrode, dengan tujuan akan diperoleh data efek milling dan juga

sintering, terhadap evolusi HfCN, mikrostruktur dan kekerasan berdasar nitrogen yang terjebak.

Pengujian dilakukan menggunakan XRD (X-Ray Diffraction), CHN (Carbon Hidrogen Nitrogen

composition), SEM (scanning electron microscopy) dan Vickers Hardness. Kekerasan diperoleh

sebesar 1808 HV untuk 5 menit milling, dan 2169 HV untuk 10 menit milling. Lattice strain yang

tinggi menunjukkan bertambahnya kekerasan. Diperoleh mikrostruktur dengan butir kristal halus

dengan kandungan nitrogen tinggi.

  Kata kunci: carbonitride, metalurgi serbuk, material superhard.

Pendahuluan

  Metal karbida transisi dikenal karena nilai kekerasan yang tinggi, temperatur leleh dan dekomposisi yang juga tinggi, umumnya metal ini digunakan sebagai material pahat/potong. Sifat mekaniknya terutama kekerasannya dipengaruhi oleh kandungan nitrogen, terutama rasio [C]/{[C]+[N]} berpengaruh besar [2,3,4]. Cordoba [1] telah berhasil memproduksi hafnium carbonitride dengan metoda high energy ball milling dari serbuk hafnium dan serbuk graphite didalam atmosfir nitrogen . Hasilnya diperoleh partikel dalam skala nanometer (100-500 nm) namun prosesnya memerlukan waktu 80-120 menit. Karena kendala tersebut, kemudian diyakini bahwa MOCVD yang bisa menghasilkan lapisan tipis pada perkakas potong [5]. Studi ini menerapkan arus rendah dan voltase tinggi, sistem impuls listrik membantu melokalisasi plasma nitrogen sehingga diperoleh tingkat nitrogenisasi yang tinggi pada serbuk HfC .

Metodologi Penelitian

  Material awal adalah serbuk Hafnium carbide (HfC) ukuran partikel <1.25µm dan kemurnian 99% yang diproduksi SigmaAldrich. Serbuk diproses dengan EDAMM didalam plasma nitrogen. Serbuk dimasukkan kedalam silinder baja yang dilengkapi dengan instalasi listrik voltase tinggi yang diteruskan oleh batang baja. Skema instalasi ini bisa dilihat pada Gambar 1 dibawah.

  Gambar 1. Mesin EDAMM (Electric Discharge Assisted Mechanical Milling). Penelitian ini menggunakan 2 metoda, direct (DC) dan alternating current (AC) untuk mendukung kelarutan nitrogen. Model impuls dipilih untuk menghindari leleh dan menjaga sampel tetap dalam bentuk serbuk selama proses berlangsung. Proses milling serbuk HfC dilakukan dengan variasi waktu 0.5, 1, 2, 5 dan 10 menit.

  Setelah proses milling EDAMM, karakterisasi sampel menggunakan Phillips X-ray Diffractometer, yang dilengkapi radiasi CuK α radiation dan monochromators graphite. Selanjutnya index XRD dibandingkan dengan database International Centre for Diffraction Data (JCPDS-ICDD 2000) Powder Diffraction Files (PDF). Identifikasi fasa menggunakan software Traces Version 5.1.0. Analisa kandungan nitrogen menggunakan EDS Carlo Erba 1106. Karakterisasi morfologi serbuk menggunakan JOEL 7001 FEGSEM scanning electron microscope (SEM). Kekerasan diukur dengan menggunakan indentasi Vickers microhardness test, dengan beban 50g dengan 6-8 indentasi tiap sampel.

Hasil Dan Analisa X-ray diffraction

  Hasil XRD serbuk HfC yang di milling dengan EDAMM dengan sistem DC variasi waktu 0.5, 1, 2, 5, 10 tampak pada Gambar 2. Pada plot XRD tersebut tampak Hafnium Oxide, yang merupakan unsur kontaminan/pengotor. Dalam sistem DC terbentuk Hf (CxNy) secara sempurna setelah 5 menit proses milling. Namun penurunan intensitas peak HfC dan terbentuk formasi solid solution Hf (C x N y ) pertama kali terlihat pada 0.5 menit. Proses bergesernya peak secara simultan pada kisi HfC tampak pada gambar 3. Sebaliknya pada sistem AC (alternating current) mekanisme transformasi tampak berbeda, untuk lebih jelas lihat Gambar 4. Pada sistem AC keberadaan HfO2 masih terdeteksi hingga waktu milling 10 menit, hal ini disebabkan oleh kurangnya temperatur untuk proses reduksi. Pembentukan fasa baru Hf (CxNy) teridentifikasi pada 0.5 menit, namun puncak HfC hanya mengalami sedikit penurunan intensiti dan masih tampak keberadaannya hingga 10 menit proses milling. Lebih jelas ditampilkan pada Gambar 5.

  

Gambar 2. Diagram XRD serbuk HfC yang dimilling dengan EDAMM pada sistem DC.

  

Gambar 3. Pembesaran pada derajat 32,5 hingga 35 pada sistem DC.

  

Gambar 4. Diagram XRD serbuk HfC yang dimilling dengan EDAMM pada sistem AC.

  

Gambar 5 Pembesaran pada derajat 32,5 hingga 35 pada sistem AC.

  Energi discharge pada sistem AC dan DC adalah sama, namun diperkirakan partikel HfC mendapat perlakuan panas lebih tinggi pada sistem DC dimana panas Joule lebih terlokalisasi sehingga mengenai area sempit namun bisa menembus kedalam serbuk. Pada sistem AC, discharge pada area lebih luas, serbuk mendapat perlakuan panas secara merata, namun pada temperatur yang lebih rendah, sehingga laju nitrogenisasi pun cenderung rendah. Namun pada keduanya memiliki persamaan harga kelarutan nitrogen tertinggi yaitu pada 10 menit proses milling.

  Analisa SEM

  Pada EDAMM proses milling berlangsung sangat komplek, meliputi tumbukan batang baja bersamaan dengan tembakan listrik voltase tinggi, diyakini hal ini menghasilkan tipe partikel yang berbeda, dari ukuran dan mikrostrukturnya sangat dipengaruhi oleh lama waktu milling dan sistem current yang digunakan. Mikrostruktur penampang serbuk kelihatan sangat berbeda baik pada sistem AC ataupun DC. Gambar 6 adalah serbuk yang di milling pada sistem DC, lamanya proses berpengaruh pada menurunnya porosity dan pertumbuhan butir. Sedangkan partikel serbuk yang diproses pada sistem AC tampak mikrostrukturnya kurang padat (Gambar 7). Agak sulit menemukan area yang cukup rata dan padat untuk kebutuhan analisa butir. Hasil akhir serbuk pada sistem AC tampak lebih besar dibanding pada sistem DC.

  

Gambar 6. Foto SEM penampang HfC a)1 menit, b)2 menit, c)5 menit dan d)10 menit milling pada sistem DC.

  

Gambar 7. Foto SEM penampang HfC a)1 menit, b)2 menit, c)5 menit dan d)10 menit milling pada sistem AC.

  Analisa EDS

  Gambar 8 adalah hasil pengujian komposisi kimia menggunakan EDS, pada serbuk yang di milling selama 10 menit. Kandungan nitrogen pada serbuk yang di proses pada sistem DC berkisar antara 1,6 hingga 4,8% berat, sedangkan pada sistem AC kandungan nitrogen lebih besar berkisar 3.5 hingga 9% berat (Gambar 9).

  

Gambar 8. Hasil EDS pada penampang HfC setelah milling selama 10 min pada sistem DC.

  Gambar 9. Hasil EDS pada penampang HfC setelah milling selama 10 min pada sistem AC.

  Microhardness

  Pengujian kekerasan microhardness dilakukan dengan metode indentasi, hasilnya menunjukkan kekerasan yang meningkat secara signifikan. HfC yang diproses selama 5 dan 10 min (Gambar 10) menunjukkan harga kekerasan 1808 dan 2169 HV.

  

Gambar 50. Indentasi kekerasan pada HfCxNy setelah milling selama 5 and 10 menit pada sistem DC.

  Analisa CHN

  Pengujian CHN (Gambar 11) menunjukkan kandungan nitrogen pada sampel yang diproses dengan sistem DC. Dapat dilihat bahwa peningkatan kandungan nitrogen seiring dengan peningkatan lama waktu milling, dan diperoleh nilai maksimum sebesar 3,42% berat N pada sistem DC dan 2,98% berat N pada sistem AC. Dapat disimpulkan bahwa plasma pada sistem DC lebih cocok untuk nitriding HfC. Kondisi DC memungkinkan ketersediaan energi yang cukup untuk dissolusi/pelarutan dan migrasi nitrogen kedalam serbuk.

  

Gambar 61. Kandungan nitrogen pada HfC yang dimilling pada sistem DC dan AC.

Kesimpulan

  Dari keseluruhan analisa, studi ini ditujukan untuk mengevaluasi kandungan nitrogen

pada lama waktu milling dan sistem yang berbeda. Dapat disimpulkan bahwa Hf (CxNy) solid

solution dapat diproduksi hanya 10 menit dengan mesin EDAMM. Sistem DC terbukti

menghasilkan serbuk dengan kandungan nitrogen tinggi (3.42% berat). Studi ini menyatakan

bahwa EDAMM lebih unggul dibanding teknik sintesa konvensional, yang terbatas pada

teknik deposisi.

  Referensi ₁

  [1] Jose M. Cordoba, Maria J. Sayagues, Maria D. Alcal, and F. J. Gotor, “Monophasic Nanostructured Powders of Niobium, Tantalum, and Hafnium Carbonitrides Synthesized by a Mechanically Induced Self-Propagating Reaction ₁

  ”, J. Am. Ceram. Soc., 90 [2] 381–387 (2007) [2] Aigner, W . Lengauer, D. Rafaja, P. Ettmayer, “Lattice parameters and thermal expansion of

  Ti(C x Na 1-x ), Zr(C x N 1-x ), Hf(C x N 1-x ) and TiN 1-x from 298 to 1473K as investigated by high- temperature X-ray diffraction ₁ ”, Journal of Alloys and Compounds, 215 (1994) 121-126 [3] Ronghua Wei, Edward Langa, Christopher Rincon, James H. Arps, “Deposition of thick nitrides and carbonitrides for sand erosion protection ”, Surface & Coatings Technology, 201 (2006) 4453 ₁ – 4459

  [4] Q. Yang , W. Lengauer , T. Koch , M. Scheerer , I. Smid “Hardness and elastic properties of ₁ Ti(C N ), Zr(C N ) and Hf(C N ) _{x 1-x x 1-x x 1-x ”, Journal of Alloys and Compounds, 309 (2000) L5–L9} [5] W. Wang, T. Nabatame, Y. Shimogaki

  , „Dielectric Evolution Characteristics of HfCN Metal- Electrode-Gated MOS Stacks ”, Journal of The Electrochemical Society, 154 .2, G25-G29, 2007