8 Bab II Tinjauan Pustaka Pada bab ini akan dijelaskan mengenai hasil penelusuran literatur yang digunakan sebagai acuan. Bab ini mencakup beberapa subbab yang menjelaskan tentang paduan berbasis kobalt, metode vacuum arc remelting, mekanisme penguatan logam, metode karakterisasi yang digunakan dalam penelitian, aplikasi paduan untuk katup mekanis berbahan logam, dan beberapa informasi mengenai penelitian- penelitian terkait yang sudah dilakukan sebelumnya. II.1 Paduan Berbasis Kobalt II.1.1 Kobalt Kobalt (cobalt) pertama kali ditemukan pada tahun 1735 oleh seorang ahli kimia Swedia bernama Georg Brandt. Penelitiannya membuktikan bahwa warna biru berasal dari kobalt. Kata "cobalt" berasal dari kata "Kobold," yaitu sebuah nama goblin jahat dalam mitologi Jerman. Namun, faktanya unsur kobalt memiliki sifat yang baik sehingga diaplikasikan dalam dunia medis sebagai biomaterial. Cobalt- 60, isotop radioaktif kobalt, merupakan sumber penting sinar gamma dan digunakan untuk mengobati beberapa bentuk kanker dan sebagai pelacak medis. Di alam, bijih utama kobalt yaitu cobaltite (CoAsS) dan erythrite (Co 3(AsO4)2). Kobalt biasanya diperoleh kembali sebagai produk sampingan dari hasil pertambangan dan pemurnian nikel, perak, timah, tembaga, dan besi (Jefferson, 2022). Kobalt merupakan salah satu unsur kimia dengan simbol Co (nomor atom 27) dan merupakan logam transisi feromagnetik padat berwarna abu-abu keperakan yang berkilau dari golongan 9 (VIIIB) pada tabel periodik (Bell, 2019). Logam Co bersifat keras dan rapuh/getas dengan struktur kristal HCP, terbentuk di temperatur kamar. Oleh sebab itu, kobalt murni menunjukkan transformasi fase alotropik di temperatur kesetimbangan T 0 (tekanan konstan) dengan modifikasi hcp sebagai fasa temperatur rendah dan modifikasi fcc sebagai fasa temperatur tinggi. Logam Co juga memiliki sifat ketahanan korosi, ketahanan aus, sifat mampukerja, ketahanan pada temperatur tinggi, dan dapat membentuk paduan kekuatan tinggi sehingga logam Co banyak dimanfaatkan dalam bentuk paduan (Bauer, et al., 2010). 9 Tabel II.1 Sifat dari unsur kobalt (National Toxicology Program, 2011). Sifat-sifat Deskripsi atau Nilai Massa atom 58,93 g/mol Densitas 8,86 g/cm 3 (di 20°C) Temperatur leleh / didih 1495°C / 2927°C Skala kekerasan Moh’s 5 Kekuatan tarik / Modulus Young (kekakuan) 675-1250 MPa / 199-215 GPa Keuletan 0,02-0,2 Bilangan oksidasi +3; +2 Ketahanan elektrik 64, QP GL°C) Elektronegativitas 1,88 Pauling’s Tekanan uap 1517°C Kapasitas kalor molar 24,81 J mol -1 K -1 Kalor peleburan / penguapan 16,06 / 377 kJ/mol Kelarutan:Air Kelarutan:(Asam nitrat, hydrogen fluoride) Tidak Larut (asam nitrat encer) Co murni mengalami transformasi alotropik di temperatur 417 °C dari temperatur tinggi (fasa-GHQJDQVWUXNWXU)&& NHWHPSHUDWXUUHQGDK IDVD-0GHQJDQVWUXNWXU HCP). Transformasi ini merupakan shear dominant dengan thermal hysteresis (gagal untuk kembali ke keadaan semula). Oleh karena itu, hal ini diklasifikasikan sebagai martensitik. Temperatur transformasi ini dapat berubah seiring dengan penambahan elemen-elemen paduan baru ke unsur logam kobalt (Narushima, et al., 2015). Paduan CoCr pertama kali disintesis tahun 1907 oleh Haynes. Hasil pengamatan tersebut menunjukkan bahwa CoCr mempunyai reaktivitas kimia yang rendah dan kekuatan tinggi. Mekanisme ini disebut penguatan solid solution. Ketahanan korosi dari paduan ini mirip dengan logam SS yang didasarkan pada pembentukan lapisan pasif tipis Cr oksida, yaitu Cr 2O3. Unsur Cr dalam paduan ini juga berperan dalam menghambat pertumbuhan butir karbida, yang memiliki hubungan kuat dengan kekerasan material. Namun, adanya penambahan unsur Cr pada logam kobalt dapat menyebabkan kenaikan temperatur transformasi paduan tersebut (Bandyopadhyay, et al., 2020). 10 Gambar II.1 Diagram terner Co-Cr-W (Gupta, 2006). Salah satu paduan dalam sistem CoCr yang umum yaitu paduan Co-Cr-W, dimana unsur W bertindak sebagai unsur penguat paduan. Unsur W didalam paduan dapat memberikan ketahanan abrasif dengan membentuk karbida pada paduan sehingga menyebabkan kenaikan nilai kekerasan (Ye, et al., 2016). Sebagian besar fasa yang muncul pada paduan Co-Cr-W yaitu fasa .-fcc, --hcp, dan fasa presipitat Co 3W. Presipitat fasa-Co 3W dapat meningkatkan nilai kekerasan karena struktur kristalnya berupa --hcp namun menurunkan keuletan. Penambahan unsur Cr dan W berlebih bisa menimbulkan fasa baru Co 4Cr3W dengan struktur tetragonal (Gupta, 2006). Paduan kobalt bersifat nonmagnetik, tahan korosi, tahan abrasif, dan memiliki sifat mekanik unggul serta tahan di temperatur tinggi. Oleh sebab itu, paduan ini banyak digunakan di dunia medis sebagai biomaterial, salah satunya sebagai implan katup jantung. Paduan Co sangat sulit dimachininguntuk bentuk yang kompleks sehingga proses manufakturnya biasa dilakukan dengan proses pelelehan atau metalurgi serbuk. Proses pelelehan dinilai lebih praktis, ekonomis dan tidak menimbulkan pori (Tanzi, et al., 2019). 11 II.1.2 Paduan Co-Cr-W-Ni Co-Cr-W-Ni merupakan satu dari empat paduan kobalt yang biasa digunakan untuk aplikasi biomedis, yang menggabungkan ketahanan temperatur tinggi dengan ketahanan terhadap lingkungan oksidasi hingga 980°C di paparan jangka panjang (Alloywire, 2022). Paduan ini juga mempunyai ketahanan yang cukup sempurna terhadap sulfidasi karena kehadiran unsur Ni. Selain itu, unsur Ni hadir sebagai penstabil FCC yang dapat meningkatkan nilai keuletan suatu paduan material. Oleh sebab itu, paduan ini banyak diaplikasikan didunia medis karena disisi lain paduan ini memiliki sifat biokompatibilitas tinggi, salah satunya untuk aplikasi implan katup jantung (Poncin, et al., 2004). Sifat biokompatibilitas yang unggul telah ditunjukkan oleh paduan CoCrWNi. Diantara sifat tersebut yaitu nonmutagenik, nonhemolitik, nontrombogenik, non- cytotoxicity (kontak langsung didalam tubuh), nonpirogenik, respon vascular yang baik, dan tak menghasilkan toksisitas sistemik. Sifat-sifat ini diperoleh saat diuji menurut standar ISO 10993 (ASM, 2009). Tabel II.2 Dampak biologis suatu unsur dalam tubuh (Biesiekierski, et al., 2012). 12 Catatan: Warna merah menandakan perhatian serius; warna kuning menunjukkan kekhawatiran sedang; hijau mengindikasikan minimal/tidak ada perhatian di tubuh. Tabel II.3 Komposisi spesifik paduan Co-20Cr-15W-10Ni (ASTMF90-14, 2016). Batas Komposisi (% berat) Co Cr W Ni Mn P S Si Min. Balance 19,00 14,00 9,00 1,00 Maks. Balance 21,00 16,00 11,00 2,00 0,040 0,030 0,40 Komposisi material yang tercakup dalam Tabel II.3 (komposisi) telah berhasil digunakan dalam aplikasi implan manusia yang bersentuhan dengan jaringan lunak dan tulang. Sampai tulisan ini dibuat, belum ada material implan bedah yang diketahui pernah terbukti benar-benar bebas dari reaksi merugikan dalam tubuh manusia. Paduan CoCrWNi rentan terhadap korosi pitting apabila terjadi kerusakan atau diskontinuitas film. Namun, untuk jangka panjang telah menunjukkan tingkat respons biologis yang diharapkan dapat diterima.