ABSTRACK
Prosiding Presentasi /lmiah Dour Bahan Bakar Nuklir PEBN-BA TAN, Jakarta} 8- } 9 Maret} 996
ISSN 1410-1998
PENGARUH KECEPATAN PEROLAN TERHADAP KEKUATAN IKATAN METALURGIK ANTARMUKA PELAT AIMg-2 Petrus Zacharias, MoHusna AI Hasa, JBoHersubeno, Sardjono Pusat Elemen Bakar Nuklir
ABSTRAK PENGARUH KECEPATAN PEROLAN TERHADAP KEKUATAN IKATAN METALURGIK ANTARMUKA PELAT AlMg-2. Prosespenyambunganantannukapelat akibat perolan panas terjadi karena adanyadifusi unsurunsur pembentukdi sekitar bidang kontak. Akibat difusi ini akan terjadi ikatan metalurgik antar permukaanpelat yang bersentuhantersebut. Salah satu faktor yang mempengaruhikualitas kekuatan ikatan metalurgik adalah kecepatanperolan. Pada penelitian ini perolan pelat AIMg-2 dilakukan pada subu 415 °C dan derajat deformasi sebesar133%dengankecepatanperolan 10,75; 11,75; 12,75; 13,75; 14,75 m/menit. Pelat basil perolan dikenai uji geser,uji metalografidan kekerasallmasing-masinguntuk mengetailuikekuatanikatan metalurgik, mikrostrukturdan kekerasandaerahsambungaJl. Dari basil uji geserdidapatdatahublmgaJlantarakecepatanperolan terhadapkekuatan ikatan metalurgik. Nilai maksimumkekuatanikatan metalurgik 74,12 MPa didapat pada kecepatanperolan 13,75 m/menit, dan kecepatanini merupakankecepatanoptimum perolan yang dapat mengh8silkankekuatanmaksimum ikatan metalurgikantannukapelatAIMg-2.
THE EFFECT OF ROUING SPEED ON THE METAUURGICAL BONDING STRENGTHAT INTERFACE OF ALMg-2 PLATE. Metallurgical bondingprocessat the interface ofALMg-2plate coupledue to hot rolling was cause by atomic diffusion phenomenon.One of the rolling parameters detennining the quality of metallurgical bonding stemgth is roliing rates. On this research,a couple ofALMg-2plate was rolled at temperature415 'C and degreeofdefonnation 133%. The roling speedwas 10,75; 11,75; 12,75;13,75;and14,75 mlminute. Sampleswere examinedusing tension shear tester,optical microscope,and Vickers hardnesstester to detennine the strength of metallurgical bonding, microstruture and hardness of the bonding, respectively.Data of the tension shear testing show that there is a relationship betweenthe rolling speedand the metallurgical bonding strength. the maximum value ofnletaluurgical bonding strength of 74,12Mpa wasfound on the roling speed of 13,75 mlminute,and thus this is the optimumrolling speedto get a maxinlummetallurgical bondingstrengthat the interface ofALMg-2plate.
PENDAHULUAN Penggunaan bahan bakar jenis dispersi U3Si2-AI angka muat tinggi sebagaipengganti U3Og-AI akan memberikan konsekuensi yang perlu diantisipasi karena adanya kemungkinan pernbahansifat mekanik inti elemenbakar (IEB) daD meluasnya kerns.uan IEB akibat radiasi denganderajatbakartinggi. Iradiasi pada kondisi ini selain mengakibatkankerns.uan yang lebih luas juga menghasilkanproduk fisi yang lebih banyak baik padat maupun gas. Produk fisi bernpa gas pada kondisi ini akan memiliki tekananyangcukup besardi dalam IEB, sehingga pelat pembungkus,bernpaAIMg-2 hams mampu menjaga integritas pelat clemen bakar. Daerah paling lemah dari pelat pembungkus ad.1lah bagian sisi bingkai yang terdiri dari tiga lapisan pelat AIMg-2 yang disatukan secara perolan panas. Kekuatan ikatan rnetalurgik di daerah sarnbungan antar pelat tidak sarna dengan
kekuatantank rnasing-rnasingpelat. Olch karena
184
itu,penelitiantentangkekuatan ikatan metalurgik daerah sambungan antar pelat akan sangat bermanfaatuntuk meramalkanunjuk kerja pelat clemen bakar di reaktor.Dari percobaan pendahuluan, ternyata kekuatan ikatan metalurgik sangat dipengaruhi oleh kecepatan perolannya. Maka dati itu, penelitian yang dilakukan adalah bertujuan untuk mencari kondisi kecepatanperolan optimum yang dapat menghasilkan sambungan antar pelat AIMg-2 dengan kekuatan ikatan metalurgik maksimum. Pada penelitian ini digunakan teknik perolan panaspada suhu di atas suhu rekristalisasibahan AIMg-2 dengan tingkat deforrnasitetap. Proses penyambunganantar muka pelat terjadi karena adanya difusi atom-atom unsur pembentuk di sekitar bidang kontak pelat, sehingga terjadi ikatan metalurgik antar permukaan pelat yang bersentuhan.Kualitas ikatan metalurgik sangat bergantung pada beberapa faktor antaralain kekasaranpermukaan,derajat deformasi,suhudaD waktu difusi. Deformasi pada sampel terjadi karenaadanyatekananyang berasaldati gerakan jepit roda-rodarol dan gerakangeser-gesekantar
Prosiding Pre,enla'i J1miah Dour Bahan Bakar NukIir PEBN.BATAN,Jakarla /8-/9Marel /996
roda-roda rol dengan sampel4.Deformasi pada pelat AlMg-2 di atas suhu rekristalisasinyaakan menimbulkan pelunakan melalui mekanisme rekoveri dinarnik, sehingga akan mempermudah prosespembentukannya3.Selain itu pada proses suhu tinggi akan lebih memacuterjadinya difusi atom di daerahbidang kODiakantarmuka pelat. Waktu difusi dapat dihubungkan langsung dengan kecepatan perolan. Makin tinggi kecepatan perolan, semakin singkat waktu difusinya. Selain itu kecepatan perolan mempengaruhi juga laju deformasi atau laju regangan. Oleh sebab itu, kecepatan perolan dapat digunakan sebagai parameter penentu kualitas ikatan metlurgik antarmukapelat. Pada penelitian ini, perolan panasdilakukanpada suhu 415 °C dan derajat deformasi sebesar 1330/0, dengan variasi kecepatan 10,75; 11,75; 12,75; 13,75 dan 14,75 m/menit. Pelat basil perolan kemudian dikenai uji geser, metalografi dan uji kekerasanmikro Vickers, masing-masinguntuk mengetahui kekuatan ikatan metalurgik, mikrostruktur serta kesempurnaansambungan, daDkualitassambungan.
METODOLOGIPENELITIAN Bahan yang digunakan adalah pelat AIMg2. Bahan ini digunakan sebagai pelat pembungkus IEB sehingga menjadi PEB. Preparasi awaJ meliputi pengukuran dimensi pelat. pembersihan dari oli daD lemak serta penyikatan permukaan pelat. Tebalawal pelat adalah 4,94 rom. Pembersihandilakukan dengan alkohol daD nap lamtan perchloretylene pada suhu 120°C selama 15 meDii. Kemudian permukaanpelat disikat sehingga menjadi kasar agar saat perolan tidak mudah tergelincir. selain itu penyikatan berfungsi juga sebagaipemecah lapisan oksida yang mungkin ada dipermukaan pelat. Lapisanoksida di daerah antarmukapelat dapatmenjadipenghalangterjadinya difusi atom. Sebelum dirol, pasanganpelat dilas pada sebagian sisinya, kemudian dikenai perlakuan panaspada suhu415°C selama30 menit. Perolan panasdilakukan pada suhu415°C denganvariasi kecepatan10,75; 11,75; 12,75; 13,75 dan 14,75 mlmenit dengan derajat deformasi133%. Selesai dirol, semua sampel dianil pada suhu 425°C selamasatujam untuk menghilangkantegangan akibat perolan tersebut. Pembuatansampel uji geser, berukuran 140 x 20 mm, dengan luas bidang geserberkisarantt1ra20-25 mm2daDtebal 1,33 mm, menggunakanmesin milling. Sampel uji metalografi daD uji kekerasandibuat untuk masing-masingkecepatan.
Uji geserdilakukan dengan mesin uji tarik aksial. Sampel uji metalografi dietsa dengan larutan 10% H2SO4,5% HF dan 85% H2O selama 30 detik kemudian diamati dengan mikroskop optik dan difoto. Uji kekerasanmikro dilakukan denganmetodaVickers untuk beban15g. HASD.. DAN BAHASAN
Gambar I(B) menunjukkanpola hubungan antara kecepatan perolan terhadap kekuatan ikatan metalurgik. Nilai. Kualitas sambungan menurun untuk kecepatanperolan lebih rendah rnaupun lebih tinggi dari 13,75 m maksimum kekuatan ikatan metalurgik 74,12 MPa didapat untuk pelat yang dirol dengan kecepatan13,75 mimenit Imenit. Padakecepatanlebih kacil dari 13,75 mimenit penurunan suhu sampel relatif lebih besar dibandingkan dengan kecepatan perolan pada 13,75 mlmenit, sehingga laju difusinyapun lebih rendah meskipun waktu difusinya relatif lebih lama. Untuk kecepatan lebih besardari 13,75 mlmenit ternyata diarnati pula adanyapenurunankualitas kekuatan ikatan metalurgik. Hal ini terjadi karenawalaupunsuhu sarnpelrelatif masihtinggi tetapi waktu difusinya juga sangatsingkat. Hasil uji kekerasandi daerah sambunganditampilkan padaGambar I(C). Hasil ini mendukung basil uji geser dengan pola gambar yang bersesuaian. Kualitas ikatan metalurgik berhargamaksimumuntuk kecepatan perolan 13,75mlmenit. Kebenarankualitas ikatan metalurgik rnaksimumdaD bahkan terbaik pada kecepatanperolan 13,75 mimenit dapat dilihat padaGambar2 grafik E, yang menunjukkansifat ketangguhanpaling tinggi. Kualitas ikatan metalurgikyang didapatdari uji geserdaD kekerasantemyata sesuai dengan pengamatan kualitas sambungan secara metalografik. Dan basil tersebut dapat dilihat bahwa nilai maksimum kekuatan ikatan metalurgik dapat diperoleh pada kecepatan optimum perolan13,75m/menit. Dari Gambar 1(8) dapat dilihat bahwa untuk kecepatanperolan lebih kecil dari 13,75 mlmenit terjadi kecenderungan penurunan kualitas ikatan metalurgik, demikian juga untuk kecepatanperolanyang lebih besar. Jika kondisi derajat defonnasi tetap, maka faktor yang mempengaruhikualitas ikatan hanya suhu dan waktu difusi. Pengaruh faktor-faktor ini dapat diamati dari Gambar I. Untuk kecepatanperolan 10,75 mlmenit , nilai kekuatan ikat dan kekerasannyarendah, karena pada kondisi ini penurunansuhu sampelrelatif lebih banyak bila 185
Prosiding Presentasi llmiah Daur Bahan Bakar Nuk/ir PEBN-BATAN, Jakarta 18-19Maret 1996
diban-dingkan dengan kecepatan yang lebih tinggi, sehingga laju difusinyapun lebih rendah, meskipun waktu untuk berdifusi lebih lama. Oemikian juga untuk kecepatanperolan 11,75 mlmenit terhad.1p12,75 mlmenit, 12,75 mlmenit terhadap13,75mlmenit. Pada kecepatan perolan lebih bes.'lr dati 13,75 mlmenit terjadi hat yang sebaliknya, yaitu pada kondisi ini justru waktu difusi yang berperan, karena meskipun penurunan suhu s.'lmpel relatif kecil atau suhunya relatif masih tinggi, tetapi nilai kekuatan ikatnya tetap saja lebih rendah dati kecepatan 13,75 mlmenit. Hal ini disebabkan atom-atom tidak cukup waktu untuk berdifusi, karena waktu kontak sampel dengan roda rol sangat singkat. Karena itu dapatlah dikatakan bahwa titik ( 74,12 ; 13,75 ) pada Gambar 1(B) adalah titik optimum hubungan antara waktu dan suhu difusi sehingga didapat nilai kekuatan ikat
Vickers akan menghasilkankesalahanukur yang besar. Semakin ringan bebannyaakan sernakin besarkesalahannya.Hal ini disebabkanpengaruh rekoveri elastiknya relatif tinggi. Jika pada sampelini dikenakanbebanlabih besardari 15g, makapengaruhlaju reganganyang berbedauntuk tiap sampel menjadi dominan. Akibatnya pengaruh kualitas sambungan yang terbentuk tidak dapatdiukur.
SIMPULAN Hasil penelitian pengaruh kecepatan perolan terhadap kekuatan ikatan metalurgik antannuka pelat AIMg-2 dapat disimpulkan sebagai berikut. Pada suhu pemanasan sampel 415°C daD derajat deformasi 133% kekuatc'1n maksimum ikatan metalurgik (74,12 MPa) dicapai pada kecepatan perolan 13,75 mlmenit. Untuk rentang kecepatan perolan lebih kecil dari 13,75 mlmenit ku.'1litas
atas
kekuatan ikatan metalurgik dipengaruhi oleh
didukung oleh grafik-teknik uji geser (Gambar 2) yang menunjukkan bahwa ketanggllhan grafik E (sampel yang dirol pada V = 13,75 mlmenit)
suhu, sedangkan untuk kecepatan perolan lebih besar dari 13,75 mlmenit dipengaruhi oleh waktu difusi. Berdasarkan basil ini dapat disimpulkan bahwa kecepatan optimum perolan untuk mendapatkan kekuatan maksimum ikatan metalurgik antannuka pelat AIMg-2 adalah 13,75 mlmenit.
maksimum. Kebenaran pernyataan di
lebih baik dati yang lain. Kualitas ikatan metalurgik yang didapat dati uji geser ini ternyata sesuai dengan kuaJitas sambungan basil pengamatan metalografik.
Dan uji metalografi diperoleh gambar mikrostruktur daerah Sc'lmbungan dan sekitarnya seperti diperlihatkan pada Gambar 3. Gambar 3(a), 3(B), 3(c), 3(d), daD 3(e) masing-masing adalahgambar mikrostruktur untuk sampelyang dirol pada kecepatan10,75; 11,75, 12,75, 13,75, dan 14,75 mlmenit. Kualitas sambunganterbaik didapatkan pada sampel dengan kecepatan perolan 13,75 mlmenit seperti terlihat pada Gambar 3(d). Daerah sambunganpada gambar terlihat bagai garis celah yang terputus-putus. Berdasarkan data analisis yang menggunakan SEM-WDS di daerah celah ini terdapat semua unsur pembentuk AIMg-2(2). Data tersebut membuktikanadanyaatom yang Sc'llingberdiftlsi di daerahantarmukapelat daDmembentukikatan metalurgik. Hasil uji kekerasandi daerah s.1mbungan menunjukkan adanya kecenderungan kualitas ikatan yang sarna dengan hasil uji geser daD metalografi. Kualitas kekeras.1n tertinggi diperoleh dari sampelyang dirol pada kecepatan 13,75 m/menit. Hasil uji ini hanya unttlk menunjukkankualitas kekeras.1nsaja dan bukan untuk nilai kekemsansambungankarena beban yang digunakan sangat ringan (15 g). Penggunaanbebanyang ringan (lebih kecil dari 200 g) pada uji kekerasanmikro denganmetoda 186
SARAN Dari penelitian ini telah dibuktikan adanya kondisi optimum kecepatan perolan terhadap kekuatan ikatan metalurgik antarmuka pelat AIMg-2. Oleh karena itu disarankan untuk memakaikecepatanperolan 13,75 mlmenit pada prosesfabrikasi PEB reaktor riset agar diperoleh kualitasPEB yangterbaik. UCAPAN TERIMAKASIH Pada kesempatanini penulis mengucapkan terimakasih kepada semua pihak yang telah membantu kegiatan penelitian ini, terutama kepada rekan-rekan di Sub-bidang fabrikasi IPEBRR ant.:..ralain Sdr. Susworo,Sdr. Yatno Dwi Agus daDSdr. Dadang.
DAFfARPUSTAKA 1. ASM," HardnessTesting ". Metal Park Ohio, 1987.
2. AI Hasa. M.H.," Ikatan Antarmuka Pelat PaduanAIMg-2 Hasil PerolanPanas", Thesis S-2, ITB, 1994. 3. Siswosuwarno, M.," Teknik Pembentukan Logam ", Jilid I, T.Industri, ITB, 1985.
ProsidingPresentasiIlmiah Dour BahanBakorNuklir PEBN-BATAN.Jakarta/8-/9Maret /996
4. Dieter, G.E., " Mechanical Metallurgy ", McGraw Hill Inc., Tokyo, 1976. S. Hayden,W., et all, " Mechanical Behavior ",
dengan dimensi plat sampel. Kriteria uji geseradalahberdasarkanmetodans.
John Wiley & Sons Inc., Sydney,1965. 3. M. NURDIN TANYA JAWAB
sm AMINI .Dinyatakan bahwa kualitas ikatan metalurgik yaitu yang mempunyai nilai kekerasan yang tinggi bergantung pada suhu dan waktu difusi. Pada percobaan ini Sdr. melihat Caktor waktu difusi dari kecepatan perolannya. Temyata semakin tinggi kecepatan kekuatan optimumnya menu run . .Mohon dijelaskan mekanisme metal-
urgiknya .Bagaimana anggapan Sdr. tentang siCat metalurgik bahan dalam kaitannya dengan suhu difusi, apakah perlu diteliti juga?
PETRUS.Z .Semakin tinggi kecepatan perolan, berarti waktu difusi semakin singkat sehingga kesempatan atom-atom untuk berdifusi ke daerah antarmuka semakin sedikit daD sebaliknya untuk kecepatan rendah mekanisme pembentukkan ikatan metalurgik adalah mekanisme saling difusi atom di sekitar dacrah antar muka plat. Karena adanya perbedaan konsentasi atom dan suhu yang Icbih tinggi di daerah antarmuka. .Derajat deformasi berpengaruh pada suhu difusi ( umumnya ).
2.MARADU SIBARANI Bagaimana kriteria pcnerimaan uji kekerasandan uji gescrterhadapbasil rol dan bagaimana pclaksanaannyaschingga disimpulkan dengan parameter 13,75 m/dm dikatakanlebihbaik !
PETRUS.Z .Kriteria penerimaan uji kekerasan daerah sarnbungan antara lain adalah harga pengukuran kekerasan tidak dipengarnhi oleh efek laju regangan setiap Sc'lmpeldan dimensi jejak ( identitas ) harns sesuai
Dari gambar 1, ada 2 trend kurva B-C demikianpadakecepatan> 13,7 trend kurva menurnn. .Apa yang dapatSdr. simpulkandari trend kurva tersebut? .Apakah dengan hanya kecepatan,tekanan, daD kekerasan tersebut dapat dikatakan material itu sudah cukup kuat ?
PETRUS.Z .Yang dapat disimpulkan adalah bahwa adanyadaerah optimum hubunganantara kualitas kekuatan ikatan metalurgik dan kecepatan perolan. "Trend" tersebut menunjukkan bahwa pada daerah kecepatan< 13,75 mlmenit faktor suhu plat yang dominan, sedangkan> 13,75 mlmenit faktor waktu difusi yang dominan. .UN=13,75 mlmenit di dapat harga kekuatan maksimum,yang berarti ikatan metalurgik yang terbentuk kualitasnya terbaik( terkuat).
4. TAUFIK USMAN .Kriteria pengujian ikatan metalurgik atau faktor apa sajayang menentukankekuatan metalurgik! .Berapa nilai kekuatan metalurgik yang optimal untuk jenis elemenbakar reaktor riset tersebut( spesifikasinya).
PETRUS.Z .Kriteria pengujian ikatan metaJurgik. Faktor-faktor penentu kekuatan ikatan tersebutantaralain: -Kebersiban permukaanplat. -Kekasaran permukaanplat. -Derajat deformasi subu daD kecepatan perolan. .Nilai kekuatan ikatan metalurgik optimal yang di dapat dari uji geseradalah sarna dengansetengah( 1/2 ) dari kekuatantarik bahantersebut.
187
ProsidingPresentasi//miah Daur BahanBakar Nuklir PEBN-BATAN.Jakarta18-19Maret 1996
(a) V = 10,75mlmenit (800 X)
(c) V = 12,75 mlmenit (800 X)
(b) v = 11,75mlmenit (800 X)
(d) V = 13.75mlmenit (800 X)
Gambar 3. Strukturmikro daerah sambungan antar muka pelat AIMg-2 dengan berbagaikecepatanperolandan dietsa dengan 10 % H2SO4,5 % HF dan 85 % H2Oselama30 detik.
(e) V = 14,75mlmenit (800 X)
188
~ i..
: "fif.. 17 ~:~:l::j:~~: "..." ,:~i~I~~~I~~~I~~~ I~ :::: ..-, I..~.
Prosiding Pro~enta.ri /lmiah Dour Bahan Bakar Nuklir
PEBN-BA7:'!N, Jakorta 18-19Maret 1996
Gambar 1. Hubunganantara kecepatanperalanterhadapkekuatanikatan metalurgik antar muka pelat AIMg2 (B), daDterhadapkekerasanVicker's 0,015 di daerahsambungan.
80
~
...
70
.~...! ::::I:=I:~-~ I:::~f:::::J::::: :::J::~,
60
~~~(~~I~~~~ ~~t~~3~~~:
.
-i 3 0
~
~
~..
J ',..
l
:...: t.. ::0.
-'...
:=
:1:
;0
-~
..~
,
~-:-::.
B
-.-E
:::1::::: .1:::: }
20
:::::
:::~::::: ..J
}
_O
,
..~..c
'..-
--o-F
OO'-
:::::::
i
~
,
!
i
i
...
r~i~
::~
E 4 01
~
,..#,
Z~j
50_t::-.;
--.
f
:~-~1::::::r:::: .;;::I::~:~::t:" :~.::::I::::::t::::]
..-
10
-0
r';IZ.:
0 0
*
2
Keterangan
4
6
B: V ='10,75 mlmenit C : V = 11,75mlmenit D: V = 12,75mlmenit
10
B
Jarak geser. Cm. Skala 1
"
!!..-::t:::t:: L
12
14
50
E : V = 13,75 mlmenit F: V= 14,75 mlmenit
Gambar2. Hubungankekuatanikatan metalurgikterhadapjarak geserantar muka pelat AlMg-2 uotuk berbagaikecepatan.
189
