Pengaruh variasi beban dan kecepatan gesek pada permukaan stainless steel 316L yang diimplantasi ion nitrogen terhadap sifat keausan UHMWPE

MANASEH, Ir. Rini Dharmastiti, M.Sc., Ph.D

2009 | Tesis | S2 Teknik Mesin

Stainless Steel 316L dan UHMWPE (Ultra High Molecular Weight Polyethyene) adalah salah satu pasangan material yang digunakan untuk komponen sendi lutut buatan, dimana Stainless Steel 316L pengganti komponen femoral dan UHMWPE pengganti komponen tibial. Keausan menjadi perhatian dalam penelitian ini karena dapat menghasilkan wear debris yang dapat memberikan dampak negatif terhadap kesehatan sendi lutut bagi pemakainya. Salah satu penyebab munculnya wear debris adalah karena adanya perubahan beban dan kecepatan gesek yang terjadi selama sendi lutut melakukan aktifitas, sehingga perlu untuk diteliti. Salah satu pendekatan yang bisa menurunkan sifat keausan adalah memodifikasi permukaan substrat Stainless Steel 316L. Tujuan dari penelitian adalah untuk mengetahui apa ada pengaruh beban dan kecepatan gesek terhadap sifat keausan UHMWPE pada permukaan Stainless Steel 316L yang telah diimplantasi ion nitrogen. Uji kekerasan permukaan dilakukan pada Stainless Steel 316L hasil implantasi ion dan tanpa implantasi ion. Implantasi ion nitrogen dengan energi 100 keV dengan waktu 90 menit diperoleh kekerasaan optimum. Pengujian keausan menggunakan pin on plate unidirectional reciprocating movement wear test dan bovine serum dengan kadar protein 30 gr/l sebagai pelumas. Pin UHMWPE dibebani dengan variasi beban adalah 180 N, 353 N dan 462 N dengan kecepatan gesek konstan adalah 70 mm/dtk pada jarak tempuh 90 km. Kemudian dilakukan pengujian dengan kecepatan 40 mm/dtk pada beban konstan 180 N pada jarak tempuh 55,2 km. Pengaruh beban dan kecepatan gesek terhadap sifat keausan UHMWPE dinyatakan dengan melihat faktor keausan yaitu volume yang hilang dibandingkan dengan jarak tempuh dikalikan dengan beban. Hasil penelitian menunjukan bahwa modifikasi permukaan dengan implantasi ion nitrogen dapat menaikkan kekerasan permukaan sebesar 80,3%. Untuk faktor keausan tertinggi dihasilkan dari beban 180 N yaitu 2,14 x 10-7 mm3/Nm dan untuk beban 353 N menghasilkan faktor keausan yaitu 1,35 x 10-7 mm3/Nm sedang untuk beban 462 N adalah 2,89 x 10-8 mm3/Nm. Untuk kecepatan gesek 70 mm/dtk pada beban 180 N menghasilkan faktor keausan 5,36 x 10-5 mm3/Nm dan nilai faktor keausan rendah dihasilkan pada kecepatan gesek 40 mm/dtk yaitu 4,17 x 10-5 mm3/Nm. Jadi pengaruh kenaikan beban dapat menghasilkan faktor keausan UHMWPE yang menurun sedangkan hasil dari faktor keausan pada perubahan kecepatan gesek terhadap faktor keausan UHMWPE sangat kecil sehingga tidak sangat berpengaruh.

Stainless Steel 316L and UHMWPE (Ultra High Molecular Weight Polyethyene) compose material pair adopted as the component of artificial knee-joint by which Stainless Steel 316L functions as femoral and UHMWPE as tibial components, respectively. Wear is the focus in this research because it can produce wear debris generating negative impacts on the health of users’ knee-joint. One of the causes for wear debris production involves load change and sliding velocity during knee-joint activity; hence, this is important to study them. One of approaches can reduce wear is the modification on the substrate surface of Stainless Steel 316L. The aim of this study is to test whether there are effects of load variation and sliding velocity on ion nitrogen-implanted 316 L stainless steel toward the wear of ultra high molecular weight polyethylene. Surface hardness test were conducted on ion nitrogen-implanted and non ion nitrogen-implanted 316 L stainless steels. The implantation of ion nitrogen energy 100 keV during 90 minutes produced optimum hardness. Wear was tested by using pin on plate unidirectional reciprocating movement wear test and bovine serum with protein content of 30 gr/1 as lubrication. UHMWPE was assigned with load of 180 N, 353 N and 462 N in constant sliding velocity of 70 mm/s in 90 km. Then, testing with 40 mm/s at constant load of 180 N with of 55,2 km was carried out. Load effect and sliding velocity on the wear of UHMWPE were identified by observing wear factor, namely lost volume was compared to distance to go and multiplied by load. Results showed that modification on Stainless Steel 316L surface using ion nitrogen implantation was able to increase the hardness surface of 80.3%. The highest wear factor, namely 2.14 x 10-7 mm3 /Nm was produced by the load of 180 N, and the load of 353 N produced wear factor of 1.35 x 10-5 mm3/Nm, while the load of 462 N produced wear of 2.89 x 10-8 mm3/Nm. Sliding velocity of 70 mm/s at the load of 180 N resulted in wear factor of 5.36 x 10-5 mm3/Nm. Less hour and lower wear factor, namely 4.17 x 10-5 mm3/Nm were produced at the sliding velocity of 40 mm/s. Thus, the effect of higher load was able to produce the lower wear factor of UHMWPE, while result of wear factor on modified sliding velocity toward the wear factor of UHMWPE was least, hence, no significant effect was identified.

Kata Kunci : Faktor keausan,UHMWPE,Stainless steel 316L,Implantasi ion N2,wear factor, UHMWPE, stainless steel 316L, ion N2 implantation