Pengaruh temperatur Pengerolan Petal Elemen bakar terhadap Kekerasan dan Panas Jen;snya (Masrukan)
PENGARUH TEMPERA TUR PENGEROLAN PELA T ELEMEN DAKAR TERHADAP KEKERASAN DAN PANAS JENISNY A Masrukan daDAslinaB.G StafPeneliti Puslitbang Teknologi Bahan Bakar Nuklir dan Daur Ulang-BA TAN
ABSTRAK PENGARUH TEMPERA TURPENGEROLAN
PELA T ELEMEN DAKAR TERHADAP KEKERASAN DAN PANAS
JENISNY A. T elah dilakukan penelitian untuk mengetahui pengaruh temperatur pengerolan terhadap pelat elemen bakar (PEB) terhadap kekerasan daD panas jenisnya. Mula-mula komposit demen bakar yang terdiri atas Ups-AI sebagai inti dan pelat AIMgSi I sebagai kelongsong dirol pads temperatur425, 450, 475, 500 dan 525"C dengan deformasi tetap sehingga menjadi pelat elemen bakar (PEB). PEB hasil pengerolan panas selanjutnya diuji kekerasan dan panas jenisnya. Hasil uji kekerasan mikro dari suatu temperatur pengerolan menunjukkan kekerasan yang hampir sarna antara daerah sekitar antarmuka dengan tempat yang lebihjauh (300 mm). Untuk antar temperatur pengerolan terlihat semakin tinggi temperatur pengerolan menyebabkan kekerasan rata-ratanya semakin naik. Kenaikan kekerasan mencapai optimum pads temperatur 500 "C. Sementara itu, pads pengukuran panas jenis diperolah hasil untuk suatu temperatur pengerolan terjadi kenaikan panas jenis pads pengukuran sampai temperatur 250 °C kemudian menurun daD naik lagi setelah melampaui temperatur 350 "C. Apabila dilihat antar temperatur pengerolannya terlihat kenaikan panas jenis dengan naiknya temperatur pengerolan. Dengan melihat hasil uji kekerasan dan panas jenisnya, maka temperatur pengerolan maksimum dalam pembuatan PEB adalah pads temperatur 500 "C.
ABSTRACT EFFECTS OF ROLLING TEMPERATURE
ON THE HARDNESS AND REA T CAPACITY OF FUEL ELEMENT
PLATE. An experiment on the effects of rolling temperature variation on the hardness and heat capacity of fuel element plate has been carried out. The fuel element composite, which comprises Up.-AI as the fuel meat and AIMgSi as the fuel cladding, was rolled at various temperature of 425,450, 475, 500, and 525.C with constant deformation into fuel elementt plate. Microhardness test ofthe fuel element plate of a given rolling temperature showed that there was a similiarity in the hardness value along the area between interface area and more distant area (300 mm). The average hardness increased with increasing temperature and achieved an optimum hardness at 500 oC. On the other hand, the heat capacity ofthe fuel element of a given rolling temperature increased with increasing temperature up to 250 .C which then decreased with increasing temperature at temperature range between 250 and 350.C and increased with increasing temperature at above 350 .C. The heat capacity of the fuel element increased with increasing roIling temperature. Based on the hardness and heat capacity test results, the maximum roIling temperature in the production offuel element plate was obtained at 500 .C. Kata kuncl: AIMgSi I, Temperatur, Pengerolan, Kekerasan dan Panas lenis.
PENDAHULUAN Pelat clemen bakar (PEB) reaktor riset terdiri dari bahan bakar UJOs-AI atau paduan UxSi -AI yang ditutup dengan paduan aluminium darijenis AIMg2 atau AIMgSi.. Pengembangan bOOanbakar maju berdensitas tinggi dari paduan UxSiy sedang dilakukan oleh Pusbang Teknologi Bahan Bakar Nuklir clanDaur Ulang (P2TBDU) untuk mengganti bahan bakar yang telah ads yaitu Ups-AI. Pads fabrikasi menjadi pelatelemen bakar(pEB), antara pelat tutup clan pelat bingkai aksu mengalami proses pengerolan panas. Akibat pengerolan panas tersebut, antarmuka (sambungan) pelat akan mengalami peningkatan kekerasan. Distribusi kekerasan di sekitar antarmuka menggambarkan difusi un sur yang ads. Peningkatan kekerasan terjadi akibat adanya deformasi yang menyebabkan adanya difusi atom di sekitar antarmuka. Seisin itu, selama di dalam reaktor PEB akan mengalami reaksi fisi, timbul panas clan interaksi aurora
bahan bakar dengan kelongsong [I]. Panas yang terjadi akibat reaksi fisi tersebut barns segera dibuang ke lingkungan melalui kelongsong bOOan bakar. Banyak sedikitnya panas yang dapat dipindahkan ke sekeliling dipengaruhi oleh sifat daTi bahan bakar clan kelongsong itu sendiri yaitu panas jenis yang dimiliki (Cp). Bahan yang mempunyai panas jenis tinggi akan mampu memindahkan panas lebih besar clandemikian sebaliknya. Kelongsong bOOanbakar diharapkan mempunyai panas jenis yang cukup besar agar dapat memindahkan panas secara cepat. Dalampenelitianini dilakukan penelitian untuk melihat pengaruh temperaturpengerolan terhadap kekerasan dan panas jenis kelongsong. Dengan mengetahui kekersan dan panas jenisnya maka dapat diketahui temperatur perolan yang tepat dari kelongsong bahan bakar dalam pembuatan PEB. Bahan bakar yang digunakan dalam penelitian ini adalah oksida Ups-AI dengan kelongsong paduan AIMgSi..
219
Pengaruh temperatur Pengerolan Pelat Elemen bakar terhadap Kekerasan dan Panas Jenlsnya (Masrukan)
Tabel 1. Hasil Uji Kekerasan Mikro (Hv) Pelat Elemen Bakar (PEB) Dalam Arab Sejajar Pengerolan a, Temperatur
Pengerolan
No
Jarak (I'm)
I 2 3 4 5 6 7 8
300 200 100 0 -50 -150 -200 -350 Rata-rata Rentans KekeraSan
425 "C Hv rata-rata
rata-rata
(1+2+3)
Tltik 1 51,5 52,9 53,4 54,2 54,2 51,5 52,9 51,5 52,8 (5 1,5-54,2)
= 53
Hv rata-rata Tltik 2 53,8 54,2 52,4 54,6 51,1 51,1 Sl,5 Sl,5 52,5 (51,5-54,6)
Hv rata-rata Tlttk 3 64,3 61,1 62,2 63,6 55,1 55,1 53,7 53,7 '3,8 (51,5-53,7)
Hv
Rentang kekerasan rata-rata (1+2+3) = (51,1-55,2) Hv b, Temperatur
Pengerolan
No
Jarak (11m)
1 2 3 4 5 6 7 8
300 200 100 0 -50 -150 -200 -350
450 "C
Hv rata-rata
57,8 (54,2-56,1)
-
Rata-rata Rentans
Kekerasan rata-rata (1+2+3) Rentang kekerasan rata-rata
Hv rata-rata
Tltik I 56,1 56,1 55,1 55,7 54,2 55,1 55,7
d rata-rata (mm) Tltlk 2 58,5 58,5 58,5 60 56,5 56,7 56,1
55,4 (54,2-56,1)
58,2 (58,2'54,8)
58,5 (56,2-60)
54,2 (54,2-58,6)
Hv rata-rata
d rata-rata (mm) Titik 3 56,5 58 57 57,5 58,2 58 57,S
Hv rata-rata
= 54,8 Hv = (54,1-55,1) Hv
-
-
57,7 (57,4-58,2)
Rentans
54,8 (54,2-58,1)
Tltik 3 '1,5 53,3 58,1 58,6 53,7 54,2 53,3
(1+2+3)
c, Temperatur Pengerolan 475 "C Hv rata-rata No larak d rata-rata (mm) (11m) Tllik 1 Tillk 1 1 300 57,5 56,1 58 2 200 55, I 3 100 57,4 56,3 0 4 55,7 57,7 -50 55,9 5 57,6 -ISO 6 57,S 57,S 7 -200 58,2 54,9 -350 8
Kata-rata
-
Hv rata-rata
Tltik 2 54,2 54,2 54,2 5 I ,5 58,1 57,6 57,5
d rata-rata (mm) Tltik 3 60 59 56,5 56,2 58,7 58,5 58,9
55,7 (54,9-56,1)
d rata-ra', (mm) Titik 2 58,1 56,1 59,2 56,7 57 57,S 58
-
57,52 (54,1- 58,9)
Titik 2 54,9 58 52,9 57,7 57,1 56,1 55,1
-
-
Tltik 3 58,1 55,1 57,1 56,1 54,7 55,1 56,1
,
-
56,1 (52,9-58,9)
57-;5 (56,5-58,2)
d rata-rata (mm) Tltik 2 55,6 55,2 54,5 55,7 56 55 55,5
Hv rata-rata
Hv rata-rata
Tltlk 2 60 60,8 62,4 59,5 59,1 61,3 60,1
d rata-rata (mm) Tlttk 3 55 55,5 55,5 55,7 54,5 56 55,7
54,1
60,5 (59,1-62,4)
55 (55-55,7)
60;r (59,1-61,3)
54,7-58,1)
Kekerasan rata-rata (1+2+3) = 55,9 Hv Rentang kekerasn rata-rata (1+2+3) = (54,2-57,7)Hv d, Temperatur
Pengerolan
No
Jarak (11m)
I 2 3 4 5 6 7 8
300 200 100 0 -50 -150 -200 -350
Rata-rata Rentang
500 "C
d rata-rata (mm) Titik I 55,2 55 55 54,7 54,7 54,5 54,7
Hv rata-rata
54,8 (55,2-54,7)
61,7 (60,8-62,4)
Tiuk 1 60,8 61,3 61,3 62,4 62 62,4 62
-
-
Kekerasan rata-rata (1+2+3) Rentang kekerasan rata-rata
-
(54,1-5.,7)
= 60,8 Hv = (59,7-62) Hv
(1+2+3)
-
-
Tltik 3 6T;r 60,2 60,2 59,8 61,3 59,1 59,8
-
Pros/ding Pertemuan IlmJah Ilmu Pengetahuan don Teknologi Bahan '99
-
ISSN 1411-2213
Serpong, 19 20 Oktober 1999
," e. Temperatur Pengerolan 525 DC Jarak
No
(IJm)
d rata-rata (mm) ltik I
Hv rata-rata
54,9 54,2 54,8 54.7 54,7 54,5 54,4
61,5 63,3 61,8 62 62 60,2 62,6
55,6 55 54 54,5 54,3 55,4 55
60,2 61,3 63,6 63,4 62,9 60,4 61,3
54,7 55,2 54,5 54,8 54,3 55,1 54,5
54,7 (55,2-54,9)
61,9 (60,2-63,6)
54,8
61,3 (60,2,1-63,6)
54,7 (54,3-55,2)
300 200 100 0 -50 -150 -200 -350
I 2 3 4 5 6 7 8
Tlilk
Rentang
Kekerasan rata-rata (1+2+3) Rentang kekerasan rata-rata
Tabel 1. Hasiol a. Temperatur Jarak (IJm)
I 2 3 4 5 6 7 8
300 200 100 0 -50 -150 -200 -350
-
Rata-rata Renlang
2
-
(54 - 55 )
= 61,8 Hv (1+2+~) =60:8~';~)
rata-rata Tlilk
d rata-rata (mm) Tltlk 3
Hv rata-rata Tllik 3 62 60,8 62,4 61,7 63 61,3 62,5
-
-
61,9 (60,8,1-62,5)
Hv
Uji Kekerasan Mikro (Hv) Pelat .. Elemen Pengerolan
No
Hv
(mm) Tltik 2
I
-
-
Rata-rata
d rata-rata
Bakar (PEB) Dalam Aarah
Melintan,g
425 DC
d rata-rata (mm) Titik I 60 57,7 59 58,5 58,7 58,7 60 58,9 (57,7-60)
Hv rata-rata
Hv rata-rata
Titik I SI,I 55,6 53,1 54,0 54,1 53,9 57
d rata-rata (mm) Titik 2 60 59,2 60 60 60 59,2 59
55,6 (SI,I-55,6)
59,6 (59,2-55,6)
52,3 (51,1-55,6)
-
-
Titik 2 51,1 55,6 51,1 SI,I SI,I 52,9 53,3
-
d rata-rata (mm) Tltik 3 59,5 58,5 58,7 59,2 60 59,7 59,5
Hv rata-rata
59,3 (59,2-60)
52,5 (52-54,9)
-
Tlilk 3 52,4 54,2 53,8 52,9 51,5 52 52,4
-
Kekerasan rata-rata (\+2+3) = 53,5 Hv Rentang kekerasan rata-rata (1+2+3) = (51,1-55,1) Hv
b. Temperatur No
Jarak (IJm)
I 2 3 4 5 6 7 8
300 200 100 0 -50 -150 -200 -350
Pengerolan
450 DC
d rata-rata (mm) Titik I 58,5 58,5 57,7 59 58,3 58,3 57
Hv rata-rata
58,2 (57-59)
Rentang
54,9 (53,3-57,1)
57,7 (57,2-58,4)
55,7 (55,1-56,1)
-
-
Rala-rata
Hv rata-rata
Titik I 54,3 54,3 55,7 53,3 54,6 54,6 57,1
d rata-rata (mm) Titik 2 58 57,2 57,2 58 57,5 58,4 57,5
-
Titik 2 55,1 56,7 56,7 55,1 56,1 54,4 56,1
-
d rata-rata (mm) Titik 3 58,2 58 57 58,4 57,5 58,7 58,5
Hv rala-rata
58 (57-58,7)
55,1 (53,8-57,1)
Titik 3 54,7 55,1 57,1 54,4 56,1 53,8 54,2
Kekerasan rata-rata (\+2+3) = 55,2 Hv Rentang kekerasan rata-rata (1+2+3) = (54,2-56,8)Hv
c. Temperatur No
Jarak (J.1m)
I 2 3 4 5 6 7 8
300 200 100 0 -50 -150 -200 -350
Pengerolan
Rata-rata Rentang
475 DC
cI rata-rata (mm) Titik I 56,2 57 56,8 56 55,8 56,2 57
Hv rata-rata
55,2
-
(54-56)
Kekerasan rata-rata (1+2+3) Rentang kekerasan rata-rata
Hv rata-rata
Titik 2 57,1 57,7 58,7 59,1 58,1 56,1 56,1
d rata-rata (mm) Titik 3 58 58 57,5 57,2 56,8 57 57,5
57,6 (56,1-59,1)
57,4 (56,8-57,5)
56,2 (55,1-58,7)
Hv rata-rata
Titik I 58,7 57,1 58,1 59,1 59,5 58,7 57,1
d rata-rata (mm) Titik 2 57 56,7 56,2 56 56,5 57,5 57,5
58,3 (57,1-59,5)
56,7 (56-57,5)
-
-
= 57,4 Hv (1+2+3) = (56,1-58,7) Hv
-
-
Titik 3 55,1 55,1 56,1 56,7 57,5 57,1 56,1
-
Pengaruh temperatur Pengerolan Petal Elemen bakar terhadap Kekerasan dan Panas Jenlsnya (Masrukan)
d. Temperatur Pengerolan 500 "C No
Jarak (j.lm)
1 2 3 4 5 6 7 S
300 200 100 0 -50 -] 50 -200 -350 Rentang
Jarak (j.lm)
1 2 3 4 5 6 7 S
300 200 ]00 0 -50 -] 50 -200 -350
55,6 (55-56,7)
59,S (57,]-63,6)
55,2 (54-56)
Pengerolan
Rata-rata Rentang
-
-
Kekerasan rata-rata (1+2+3) Rentang kekerasan rata-rata
No
60,] (59,1-63,6)
Hv rata-rata
-
Rata-tata
e. Temperatur
Hv rata-rata
Titik 1 63,6 61,3 61,1 61,3 60,2 59,] 60,2
d rata-rata (mm) Titik 2 56,7 57 54 55,2 56,2 55 55,S
d rata-rata (mm) Titik 1 54 55 55,1 55 55,1 56 55,S
Titik 2 57,6 57,1 63,6 60,S 5S,5 6],3 60,2
-
d rata-rata (mm) Titik 3 55,1 55 54,S 54,S 55 55,2 55,S
.
Hv rata-rata Tttik 3 61,1 61,3 61,3 61,7 62,4 61,3 60,S
-
-60,2
55
61,3 (60,2-61,7)
(55-55,S)
= 60,4 Hy (1+2+3)
= (58,9- 62,9) Hy
525 "C
d rata-rata (mm) Titik 1 55,2 55 54,S 54,7 54,S 55,7 55,2
-
55 (54,7-55,7)
Hv rata-rata
Tltik 1 60,S 6],3 61,7 62 62,4 59,7 60,7
d rata-rata (mm) TltIK2 54,7 54,S 54 53,7 54,S 54 54,8
Tltlk 2 62 64,4 63,6 64,3 62,4 63,6 6],7
d rata-rata (mm) Tltik 3 55,2 55 54,S 54,S 54,7 55 55,5
60,1 (59,1-63,6)
54,3 (53,7-54,8)
62,86 (61,7-64,3)
54,9 (54,7-55,5)
Hv rata-rata
-
-
-
-
.
Hv rata-rata Tltik 3 60,S 6],3 61,7 62,4 62 6],3 60,2
-
61,4 (60,2-627)
Kekerasan rata-rata (1+2+3) = 61,83 Hy Rentang kekerasan rata-rata (1+2+3) = (50,5- 62,9) Hy
sarna pula. Apa hila diamati basil uji kekerasan antar temperatur pengerolan seperti tertera pada Gambar 3 terlihatkenaikankekerasanapabilatemperaturpengerolan semakin naik. Kekerasan rata-rata pada temperatur pengerolan 425,450,475,500 clan525 °Cberturut- turut adalah 53, 54,8; 55, 60,8 clan61,8 Hv untukarab sejajar pengerolan dan53,5; 55,2; 57,4; 60,4dan61,8 Hvuntuk arab melintang. Kondisi ini disebabkanpada temperatur pengerolan yang semakin tinggi clan dengan adanya deformasi menyebabkan semakin rapatnya antarmuka yang terjadi clan semakin besamya difusi. Difusi dipengaruhi oleh waktu (t) clantemperatur (T), sehingga semakin tinggi temperatur pengerolan semakin besar difusiunsur-unsurke arab antarmuka[2].Namun, apabHa diamati kenaikan kekerasan akibat temperatur pengerolannya dapat dilihat bahwa kenaikan kekerasan mencapai optimum pada temperatur pengerolan 500 °C yaitu dari 55 Hv (temperaturrol475 °C) menjadi60,8 Hv (temperaturrol500 °C)untuk sejajararab pengerolanclan dari 57,4 Hv (temperatur rol475 °C) menjadi 60,4 Hv (temperatur rot 500 °C). Hal ini disebabkan laju difusi dari unsur-unsur pemadu telah mencapai optimum pada temperaturtersebutmeskipunterjadikenaikantemperatur, tetapitidakmemberikan kenaikankekerasanyangberarti. Olehkarena itupengeroalanPEBdibatasipada temperatur 500 °C. Selain faktor tersebut diatas pengerolan diatas 500 °C dapat menyebabkan permukaan bagian luar terkelupas sehingga gelembung udara masuk clan mengakibatkan pelepuhan (blister) [1].
Analisis Panas Jenis (Cp) HasHpengukuran panas jenis yang diukur pada temperatur 100, 150, 200, 250 clan300 °C untuk setiap sampel ditampilkan dalam bentuk gambar yaitu pada Garnbar 3. Dari Gambar 3 dapat dilihat bahwa panas jenis untuk PEB yang diukur pada temperatur 100, 150, 200, 250 clan300 °C clandirol pada temperatur 425 °C mempunyaipanasjenis sebesar0,32; 0,44;0,51; 0,57 clan 0,17 Jig °C.Demikianpula untuk temperatur pengerolan 450,475,500 clan525°Cmempunyaikecenderunganyang sarnadimanapanasjenisnya akan naik sarnpaitemperatur 250 °C kemudian menurun clan akan naik lagi setelah mencapai temperatur 350 °C. Keadaan tersebut disebabkan pada temperatur 250 °Cterjadirekristalis~. dati petal AIMgSiI sehingga panas yang ada digunakan untuk proses tersebut (pengintiartbutir baru). Setain it1.t, petal dati paduan AIMgSil merupakan paduan yang dapat dikeraskan dengan perlakuan panas (age hardening) [3,4], dimana paduan tersebut mengalarni tranformasi rasa karena adanya endapan (MgzSi) sehingga setelah mencapai temperatur 250 °C sebagian panas yang masuk digunakan untuk pertumbuhan endapan yang mengakibatkan panas jenisnya menurun [3,4]. Namun, setelah pertumbuhan endapan s~lesai (setelah temperatur 350°C)terjadi kenaikan panas jenis lagi. Apabila dilihattemperatur pengerolannya, semakin tinggi temperatur pengerolan semakin besar panas jenisnya misalnya pada pengukuran temperatur 100 °C
Prosidlng Pertemaan llmiah lima Pengetahuan dun Teknologi Bahan'99
-
ISSN 1411-2213
Serpong, 19 20 Oktober 1999
panas jenis PEB yang dirol pada temperatur 425, 450, 475,500 daD525 DCadalah sebesar0,32; 0,50; 0,63; 0,64 daD0,70 Jig DC.Demikian pula untuk pengukuran pada temperatur 150, 200, 250 daD 300 DCmempunyai kecenderungan yang sarna yaitu apabila temperatur pengerolansemakintinggi semakinbesarpula panasjenis yangterjadi.Keadaaninidapatdijelaskanbahwa semakin tinggi temperatur pengerolan maka semakin rapat antarmuka yang terjadi clan semakin rapat pula jarak antara atom-atomnya.Dengan semakinrapat jarak antara atom-atomnya maka semakin besar panas yang dibutuhkan untuk menaikkan temperaturtiap derajat tiap gramnya. Dari pengujian kekerasan daD panas jenis PEB yang dirol pada berbagai temperatur maka dapat dilihat korelasi antara kekerasan clanpanas jenisnya. Dengan kala lain bahwa semakin tinggi temperatur pengerolan semakin tinggi pula kekerasan clanpanasjenisnya yang disebabkan semakin rapatnya jarak antara antom yang terjadi. 0.9
KESIMPULAN
-
PEB basil pengerolan mempunyai kekerasan yang sarna antara daerah di sekitar antarmuka dengan di tempat yang lebihjauh (sampai 300 Jim) pada suatu temperatur pengerolan. Sementara itu untuk antar temperaturpenggerolanmenunjukkankekerasanyang sei.1akin tinggi apabila temperatur pengerolan semakin tinggi pula. Kenaikan kekerasan mencapai optimum pada temperatur pengerolan 500 DC. HasH pengukuran panas jenis menunjukan bahwa untuk suatutemperaturpengerolanbila diukur sampai temperatur 250 DCmenunjukkan harga panas jenis yang semakin tinggi kemudian menurun daDakan naik lagisetelahmencapaitemperatur350DC.Apabila dilihat antar temperatur pengerolannya dapat ditunjukkan semakin tinggi temperatur pengerolan akan semakin tinggi nilai panas jenisnya. Untuk membuat PEB diharapkan temperatur pengerolantidak melebihi 500 Dc.
DAFT AR PUST AKA
0.8 0.7 0.6
i:!.
..
0.5 0.4 0.3
A Temp. Rot 4750C
0.2
.
0.1 0
XTemp. Rol 500oC XTemp.Ro15250C
-
0
100
200
300
400
500
[I]. FROST, B R T, Nuclear Fuels Elements, 1111 Edition, England, 1982 [2]. PORTER, D. A, ESTERLING, K. E, Phase Transformation in Metal and Alloy, 2ndEdition, Chapma and Hall, 1992. [3]. MONDOLFO, L F, Aluminum Alloys: Structure and P; operties, Butterwrths, London -Boston, 1976. [4]. POLMEAR, Light Alloy: Metallurgy of the Ligth Metal, 1111 Edition, London,
1981.
T(oC)
Gambar 4. Kurva panas jenis terhadap temperatur pengamatan pada berbagai temperatur pengerolan
Ke Daftar Isi
