analisis struktur mikro dan sifat mekanik lapisan …eprints.ums.ac.id/59343/2/halaman depan.pdfvii...

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 4.8. 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



48



48



48


Aluminium Selama 30 Menit Dengan Pemanasan Suhu

750ºC Selama 30 Menit

49


Aluminium Selama 30 Menit Dengan Pemanasan Suhu

750ºC Selama 30 Menit

49


Aluminium Dengan Pemanasan Suhu 750ºC Selama 30

Menit

50


Aluminium Dengan Pemanasan Suhu 750ºC Selama 30

Menit

50

analisis struktur mikro dan sifat mekanik lapisan …eprints.ums.ac.id/59343/2/halaman depan.pdfvii...

Documents