...

pengaruh proses anil terhadap perubahan struktur

by user

on
Category: Documents
2

views

Report

Comments

Transcript

pengaruh proses anil terhadap perubahan struktur
PROSIDING SEMINAR
PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
Yogyakarta, 26 September 2012
PENGARUH PROSES ANIL TERHADAP PERUBAHAN
STRUKTUR MIKRO DENDRITIK KE EQUIAXIAL DAN
KEKERASAN PADA BAJA TAHAN KARAT AUSTENIT YANG
MENGANDUNG UNSUR TITANIUM DAN YTTRIUM SEBAGAI
BAHAN KOMPONEN REAKTOR DAYA BERPENDINGIN NANO
Saeful Hidayat
Pusat Teknologi Nuklir Bahan dan Radiometri – BATAN
e-mail : [email protected]
ABSTRAK
PENGARUH PROSES ANIL TERHADAP PERUBAHAN STRUKTUR MIKRO
DENDRITIK KE EQUIAXIAL DAN KEKERASAN PADA BAJA TAHAN KARAT
AUSTENIT YANG MENGANDUNG UNSUR TITANIUM DAN YTTRIUM SEBAGAI
BAHAN KOMPONEN REAKTOR DAYA BERPENDINGIN NANO. Telah dilakukan
proses anil pada baja tahan karat austenit yang mengandung unsur Titanium (Ti) dan
Yttrium (Y). Proses anil dan rol reduksi dilakukan untuk mengetahui perilaku bahan
akibat proses pemanasan dan mekanis terhadap perubahan struktur mikro dan
kekerasan yang terjadi. Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah bahan hasil
modifikasi unsur pemadu baja tahan karat SS 316L dengan cara peleburan
menggunakan tungku busur listrik. Modifikasi unsur pemadu dilakukan untuk
mendapatkan sifat fisik dan mekanik yang lebih baik terhadap ketahanan bahan akibat
interaksi dengan media pendingin nano fluida dan reaksi panas yang terjadi di dalam
reaktor nuklir. Proses anil dilakukan pada bahan ingot dan pelat hasil proses rol dingin
dengan berbagai konsentrasi persen berat unsur paduan. Proses anil dilakukan di
dalam tungku listrik yang dialiri gas pelindung argon pada berbagai variasi temperatur
dan waktu. Perubahan struktur mikro dendritik ke equiaxial hasil proses anil terjadi
pada bahan pelat, dengan suhu pemanasan 1100 ⁰C dan soaking time selama 3 jam
serta mempunyai kekerasan yang paling rendah dibanding dengan bahan hasil anil
yang lainnya pada kondisi proses yang berbeda.
Kata kunci : Baja tahan karat austenit, Ti, Y, rol, anil, mikrostruktur, kekerasan.
ABSTRACT
ANEAL EFFECT OF PROCESS CHANGES TO EQUIAXIAL DENDRITIC
MICROSTRUCTURE AND VIOLENCE AUSTENITIC STAINLEESS STELL
TITANIUM CONTAINING INGREDIENTS AND MATERIALS AS YTTRIIUM
REACTOR COMPONENTS OF NANO FLUID-COOLED. Annealing process has
been carried out on austenitic stainless steelsthat contain elements of Titanium (Ti)
and Yttrium (Y). Roller annealing process and reduction performed to determine the
behavior of a material due to the heating and mechanical changes in microstructure
and hardness. The material used in this study were modified material alloying
elements SS 316L stainless steels melting by using an electric arc furnace.
Modification of alloying elements is done to get the physical and mechanical
properties better resilience due to the interaction of materials with nano fluid cooling
and heat reactions that occur in a nuclear reactor. Annealing process performed on
material ingot and plate cold rolling process results with varying concentrations of
alloying elements. Annealing process carried out in an electric furnace by flowing
argon protective gas at a variety of temperatures and times. Dendritic microstructure
changes to equiaxial annealing process results in materials plate, the heating
temperature1100⁰C and soaking time for 3 hours produced has very low hardness
compared to the other materials annealing results in different process conditions.
Buku II hal. 374
ISSN 1410 – 8178
Saeful Hidayat
PROSIDING SEMINAR
PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
Yogyakarta, 26 September 2012
Keywords: austenitic stainless steel, Ti, Y, rolling, annealing, microstructure,
hardness.
PENDAHULUAN
B
aja tahan karat (Stainless Steel) adalah salah
satu jenis logam yang digunakan pada reaktor
nuklir, diantaranya digunakan sebagai kelongsong
pembungkus elemen bakar (fuel cladding tubes)
pada reaktor jenis“Fast Breeder”. Pada reaktor
HTGR (High Temperature Gas-Cooled Reactor),
material baja tahan karat digunakan pada komponen
logam sistim reaktor (pendukung struktur teras
reaktor, bagian dalam reaktor), sistim pendingin
(conical shell, bottom,gas circulator), penukar
kalor, bejana dan sistim pendingin teras reaktor.
Temperatur pengoperasian komponen-komponen
tersebut adalah antara 490°C sampai dengan
850°C(1,2,3,4,5). Stainless steel dapat digunakan
karena mempunyai sifat mekanik yang baik pada
temperatur tinggi, mudah difabrikasi dan
mempunyai ketahanan korosi yang baik(1,5,6,7,8).
Pada penggunaannya di dalam reaktor, bahan ini
memerlukan ketahanan terhadap tekanan dan
temperatur tinggi. Ketahanan bahan terhadap
pembengkakan (swelling) dan mulur (creep) pada
temperatur tinggi sangat
diperlukan saat
pengoperasiannya.
Kecenderungan kebutuhan nilai bakar yang
lebih tinggi dan penggunaan nano fluida sebagai
media pendingin pada sistim pendingin reaktor
nuklir(9) dimasa sekarang maupun dimasa yang akan
datang, diperlukan pengembangan bahan tersebut
kearah yang lebih baik. Interaksi penggunaan nano
fluida sebagai media pendingin pada sistim
pendingin reaktor terhadap bahan yang dilaluinya
diantaranya adalah erosi bahan(10), sehingga
ketahanan material terhadap keausan adalah salah
satu hal yang perlu diperhatikan pada
pengembangan bahan ini.
Pada saat ini pengembangan baja tahan
karat austenit sedang menjadi bahan penelitian para
peneliti negara-negara maju. Pengembangan bahan
tersebut diantaranya dengan mengoptimalisasikan
komposisi kimia dan kondisi proses pembuatannya
(perlakuan panas, ukuran butir dan tingkat
pengerolan). Pengembangan baja tahan karat
austenitic dengan cara modifikasi unsur pemadu
untuk mendapatkan sifat fisik maupun mekanik
yang telah dikembangkan diperlihatkan pada
Gambar 1 Berdasarkan hal tersebut,dalam rangka
penguasaan
teknologi
pembuatan
dan
pengembangan logam-logam paduan, dicoba
dilakukan penelitian yang mengarah pada
modifikasi unsur paduan bahan Stainless Steel
Saeful Hidayat
316L. Pengembangan baja tahan karat SS 316
dilakukan dengan cara modifikasi unsur pemadu
untuk mendapatkan sifat fisik maupun mekanik
yang lebih sesuai dengan kebutuhan.
Penelitian
yang
mengarah
pada
optimalisasi komposisi kimia dan kondisi proses
bahan, dilakukan dengan meneliti pengaruh
penambahan unsur Ti, maupun Y pada SS 316L.
Unsur Ti maupun Yttrium ditambahkan, karena
unsur tersebut merupakan salah satu unsur penguat
berbentuk larutan padat, senyawa karbida, maupun
presipitat pada baja paduan[1,11,12].
Gambar 1. Modifikasi unsur pada bahan SS 304[1,5]
BAHAN, ALAT DAN TATA KERJA
SS 316L berbentuk pelat dipotong-potong
lalu ditimbang bersama-sama dengan unsur Ti
maupun Y sesuai dengan keperluan, kemudian
dilebur dalam tungku busur listrik.Komposisi
paduan yang dilebur diperlihatkan pada Tabel 1.
Masing-masing komposisi paduan dibuat minimal 3
paduan.
Tabel 1.Komposisi Paduan
Paduan
1
2
3
4
Komposisi SS 316L
+ 0,5 % berat Ti dan 0,5 % berat Y.
+ 1 % berat Ti dan 1 % berat Y
+ 1,5 % berat Ti dan 1,5 % berat Y
+ 2 % berat Ti dan 2 % berat Y
Proses peleburan dilakukan dalam krusibel
tembaga berpendingin air dan berada dalam
lingkungan atmosfir argon. Proses peleburan
menghasilkan ingot kancing berdiameter 25 mm,
tebal 10 mm. Ingot kancing dipreparasi untuk
proses rol reduksi, metalografi, pengujian XRD dan
pengujian kekerasan. Proses rol dilakukan dengan
reduksi sebesar 10 %, menghasilkan bahan
ISSN 1410 – 8178
Buku II hal. 375
PROSIDING SEMINAR
PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
Yogyakarta, 26 September 2012
berbentuk pelat dengan ketebalan 5 mm kemudian
diproses perlakuan panas di dalam tungku pemanas
yang dialiri gas pelindung argon. Proses pemanasan
untuk setiap bahan, dilakukan pada temperatur
850⁰C, 950⁰C dan 1100⁰C dengan waktu
pemanasan 1,5 dan 3 jam. Diagram alir percobaan
disajikan pada Gambar 1.
Fasa Ingot dan Pelat Logam Paduan
Analisis fasa pada ingot logam paduan
menggunakan XRD memperlihatkan adanyafasa γ
(austenit) dan fasa α. Fasa γ terbentuk karena logam
SS 316L sebagai logam utama yang dilebur
mempunyai fasa utama austenit (γ). Sedangkan
terbentuknya fasa α karena adanya segregasi unsur
paduan pada saat proses peleburan yang terbentuk
pada batas butir austenit(1,13,14). Pada Gambar 5
diperlihatkan data hasil pemeriksaan XRD pada
bahan SS 316L berbentuk pelat.Pada Gambar 5
tersebut terlihat semua puncakberfasa γ. Sedangkan
Gambar 6. memperlihatkan data hasil pemeriksaan
XRDpada ingot logam hasil peleburan. Pada
gambar tersebut terlihat adanya puncak fasa αselain
fasa γ.
Analisis fasa menggunakan XRD pada
bahan pelat hasil proses rol dan perlakuan panas
memperlihatkan semua puncak berfasaγ (austenit),
tidak adapuncak berfasa α (alfa). Hal ini
menunjukkan adanya perubahan fasa pada
bahaningot setelah mengalami proses rol dan
perlakuan panas menjadi bahan berbentuk pelat.
Perubahan ini terjadi karena segregasi unsur pada
bahaningot telah hilang pada saat proses rol dan
perlakuan panas (14). Pada Gambar 7 dan 8
diperlihatkan pola difraksi sinar-x pada bahan pelat
hasil rol dan perlakuan panas.
Gambar 2.Diagram alir percobaan
HASIL DAN PEMBAHASAN
Proses Peleburan dan Perolan
Gambar 3. Ingot logam
pemaduan
hasil
peleburan
dan
Gambar 4. Proses rol pada bahan ingot dan bentuk
pelat yang dihasilkan
Buku II hal. 376
Proses
peleburan
untuk
pemaduan,menghasilkan
ingot
logam
paduanaustenit berbentuk kancing berdiameter 25
mm, tebal 10 mm. Bentuk ingot diperlihatkan pada
Gambar 3.Ingot hasil peleburan di preparasiuntuk
sampel pengujian, karakterisasi dan proses rol.
Bentuk pelat hasil proses rol dari bahan ingot
diperlihatkan pada Gambar 4.
Struktur Mikro
Struktur mikro SS 316L dalam bentuk
pelat,ditunjukkan pada Gambar 9.Dari gambar
tersebut diperlihatkan bahwaSS 316L mempunyai
fasa austenit dengan bentuk struktur mikro butir
sama sumbu (equaxed). Pada gambar tersebut juga
terlihat, bahwa pada daerah tertentu terdapat bidang
kembar hasil anil (annealing twins).
Proses
peleburan
untuk
pemaduan
menggunakan tungku busur listrik, menghasilkan
bentuk struktur inti dendritik (dendritic core) dan
segregasi interdendritik yang mengandung fase
delta ferit, dan austenit sebagai matrik pada semua
paduan yang dibuat. Fase delta ferit berada di antara
sel-sel dendrit. Struktur inti dendritikmerupakan
karakteristik dari pembekuan cepat fasa austenit
pada saat proses peleburan menggunakan busur api
listrik[12,13,14]. Bentuk struktur mikro tersebut
diperlihatkan pada Gambar 10.
ISSN 1410 – 8178
Saeful Hidayat
PROSIDING SEMINAR
PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
Yogyakarta, 26 September 2012
Gambar 5. Pola difraksi sinar-x logam SS 316L
Gambar 6. Pola difraksi sinar-xingot logam hasil peleburan yang mengandung 1,5 % berat unsur Ti dan Y.
Saeful Hidayat
ISSN 1410 – 8178
Buku II hal. 377
PROSIDING SEMINAR
PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
Yogyakarta, 26 September 2012
Gambar 7. Pola difraksi sinar-x pelat logam hasil rol dan perlakuan panas dari bahan ingot hasil peleburan
yang mengandung 1,5 % berat unsur Ti dan Y.
Gambar 8. Pola difraksi sinar-x pelat logam hasil rol dan perlakuan panas dari bahan ingot hasil peleburan
yang mengandung 2 % berat unsur Ti dan Y.
Buku II hal. 378
ISSN 1410 – 8178
Saeful Hidayat
PROSIDING SEMINAR
PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
Yogyakarta, 26 September 2012
Gambar 9. Strukturmikro paduan SS 316L,
mempunyai ukuran butir No.6 di
ASTM.
Gambar 10. Struktur mikro dendritik fase austenitbatas butir delta ferit pada ingot hasil
peleburan SS 316L yang ditambah 1,5
% berat unsur Ti dan Y.
Gambar 11. Struktur mikro dendritik fase austenit
yang mengandung delta ferit di batas
butir pada bahan ingot hasil peleburan
SS 316L yang ditambah 1,5% unsur Ti
dan Y dan dianil pada suhu 950 ⁰C.
Timbulnya fase-fase tersebut karena tipe
pembekuan paduan baja tersebut adalah ferit
austenit, karena baja tersebut mempunyai harga
Creq/Nieq yang tinggi(13). Sedangkan timbulnya
struktur dendritdapat dijelaskan, bahwa pembekuan
paduan logam dikontrol oleh laju aliran panas di
Saeful Hidayat
daerah antarmuka padatan (cetakan)-cairan.
Temperatur antarmuka padatan-cairan cukup tinggi
karena pada antarmuka tersebut terjadi pelepasan
panas peleburan. Pada saat inti tumbuh ke dalam
cairan pada permukaan cetakan logam cairan
mengalami pendinginan yang berlebihan sehingga
antar-muka tidak stabil dan akan tumbuh tonjolan
sebagai lengan utama dendrit dengan arah dalam
cairan. Lengan utama dendrit tersebut tumbuh pada
daerah dinding cetakan yang lain sehingga lengan
tersebut akan bertabrakan dan akan menghentikan
pertumbuhan lengan utama dendrit. Mengenai fase
delta ferit yang ada tersebut adalah ferit yang
terbentuk pada saat pembekuan yang biasa
terbentuk pada bahan coran (casting), bukan dari
ferit dalam paduan akan menurunkan ketahanan
korosi sumur dan mempersulit proses pengerjaan
panas (hot working)(12). Pada pemanasan dengan
waktu yang lama,fase delta ferit cenderung berubah
menjadi fase sigma yang bersifat keras dan getas
sehingga mengurangi elastisitas(12,13).
Proses anil yang dilakukan pada bahan
ingot, mengubah bentuk dan ukuran butir struktur
dendritik menjadi lebih besar bila dibandingkan
dengan struktur dendritik yang ada pada Gambar
10. Perubahan dan pembesaran butir dendritik
disebabkan adanya proses pemanasan yang
memperbesar inti butir dendritik. Bentuk struktur
dendritik pada bahan ingot hasil proses anil
diperlihatkan pada Gambar 11.
Gambar 12. Struktur mikro dendritik fase austenit
pada pelat hasil rol bahan ingot
hasilpeleburan SS 316L yang ditambah
1,5% unsur Ti dan Y.
Struktur dendritik pada bahan pelat hasil
perolan bahan ingot yang diperlihatkan pada
Gambar 12, terlihat lebih pipih dan memanjang
dibanding bentuk struktur dendritik pada bahan
ingot. Bentuk ini disebabkan oleh perubahan bentuk
bahan pada saat proses rol reduksi, yang mengubah
bentuk struktur butirbahan menjadi pipih dan
memanjang karena tekanan rol(15). Proses perlakuan
panas yang dilakukan pada temperatur 850 ⁰C
maupun 950 ⁰C selama 1,5 jam dan 3 jam belum
ISSN 1410 – 8178
Buku II hal. 379
PROSIDING SEMINAR
PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
Yogyakarta, 26 September 2012
dapat mengubah struktur butir hasil proses rol
melalui mekanisme rekristalisasi, menjadi bentuk
yang sama sumbu (equiaxial).
Perubahan bentuk struktur dendritik
menjadi bentuk butir equiaxia lmelalui mekanisme
rekristalisasi, terjadi pada proses pemanasan yang
dilakukan pada temperatur 1100 ⁰C selama 3 jam.
Bentuk
struktur
butir
equiaxial
tersebut
diperlihatkan pada Gambar 13.
Gambar 13. Struktur mikro butir equiaxial fase
austenit pada pelat hasil rol dari bahan
dasar ingot hasil peleburan SS 316L
yang ditambah 2 % berat unsur Ti dan
Y dan dianil pada suhu 1100 ⁰C selama
3 jam
Hasil pengujian kekerasan menggunakan
alat uji Vicker pada batang SS 316L dan bahan hasil
proses anil, diperlihatkan pada Gambar 14.
Pada Gambar 13 terlihat bahwa kekerasan
bahan hasil proses anil untuk masing-masing persen
berat unsur paduan makin menurun dengan makin
tingginya temperatur pemanasan dan makin
lamanya proses pemanasan yang dilakukan.
Kekerasan bahan hasil proses anil yang paling
rendah, terjadi pada bahan yang telah mengalami
proses rol. Penurunan kekerasan diduga karena
adanya perubahan besar butir yang makin
membesar dan berbentuk butir equiaxial melalui
mekanisme rekristalisasi dengan makin tinggi suhu
dan makin lama waktu pemanasan yang
dilakukan(17). Bentuk butir equiaxial pada bahan
akan menurunkan kegetasan bahan dan menaikan
ketangguhan bahan(9).
Penelitian lanjutan yang berhubungan
dengan kondisi proses dan pengujian bahan perlu
dilakukan untuk mendapatkan struktur mikro bahan
yang sesuai standar yang diinginkan, yang dapat
mengatasi masalah ketahan erosi bahan pada
penggunaan di reaktor nanti akibat interaksi
penggunaan nano fluida sebagai media pendingin
pada sistim pendingin reaktor terhadap bahan yang
dilaluinya.
Gambar 14. Grafik kekerasan bahan hasil proses anil untuk bahan ingot paduan dan pelat hasil rol
berdasarkan masing-masing persen unsur paduan yang ditambahkan
Buku II hal. 380
ISSN 1410 – 8178
Saeful Hidayat
PROSIDING SEMINAR
PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
Yogyakarta, 26 September 2012
KESIMPULAN
Proses anil pada bahan ingot hasil
modifikasi unsur paduan bahan SS 316 yang
ditambah unsur paduan Ti dan Y melalui proses
peleburan, menghasilkan struktur mikro dendrit
maupun segregasi interdendritik fasa austenit dan
delta ferit dengan ukuran butir yang lebih besar
dibandingkan dengan struktur dendritik sebelum
dianil.
Proses anil pada suhu 1100 ⁰C selama 3
jam pada bahan pelat hasil dari proses perolan
bahan ingot, berhasil mengubah bentuk struktur
mikro dendritik kestruktur mikro butir equiaxial.
Kekerasan bahan ingot maupun pelat,
menurun setelah mengalami proses anil jika
dibandingkan dengan bahan sebelum dianil dan
tingginya temperatur anil yang digunakan
berpengaruh pada penurunan kekerasan bahan.
Bahan pelat yang telah mengalami proses
anil, mempunyai kekerasan paling rendah jika
dibandingkan dengan bahan ingot hasil proses anil.
DAFTAR PUSTAKA
1. SAEFUL H. Pengaruh proses rol dan perlakuan
panas pada ingot baja tahan karat austenit yang
mengandung unsur Ti dan Y terhadap struktur
mikro dan kekerasan.
Jurnal Sains dan
Teknologi
Nuklir
Indonesia
2012
Februari;XIII(1): 39-48.
2. International Atomic Energy Agency. Nuclear
power plant design: structure of nuclear power
plant design characteristic in IAEA power
reactor information system (PRIS). IAEATECDOC-1544. Vienna:International Atomic
Energy Agency;2007.
3. NATESANK, PUROHITA, TAM SW .
Materials behavior in HTGR enviroments.
Washington : Argon National Laboratory;
2003.
4. International Atomic Energy Agency .
Characterization and testing of materials for
nuclear
reactors.
IAEA-TECDOC1544.Vienna:International
Atomic
Energy
Agency; March 2007.
5. LISTER DH. Nuclear reactor materials and
chemistry. [Online]. [diakses 26 januari 2012];
Availablefrom : http://www.eolss.net/EolsssampleAllChapter-aspx.
Saeful Hidayat
6. Austenitic Stainless Steel. [Online]. [diakses 27
Januari
2012];
Available
from:
http://www.sppusa.com/reference/white_pa
per/wp_ss.pdf.
7. American Society for Metal.Properties and
selection : irons steels and high-performance
alloys.1st ed.Ohio: ASM;2008.
8. CALLISTER W D. Materials science and
engineering : An introduction.7rd ed.New York
:John Wiley& Son; 2007.
9. BUDINSKI KG. BUDINSKI MK . Engineering
materials : properties and selection.9rd edNew
Yersey: Pearson; 2010;p. 501.
10. LIXIN CHENG. Nanofluid heat transfer
technologies. Recent Patents on Engineering
2009. 3,1-7.
11. JULES ROUTBORT. Erosion of radiator
maerials by nanofluids. Vehicle Technologies
Annual Review. May 10. 2011.
12. HIROAKI OKAMOTO. Phase diagrams for
binary alloys. 2st ed.Ohio: ASM;2010.
13. American Society for Metal.Properties and
selection :atlas of microstructures of industrial
alloys.8rd ed. Ohio : ASM; 2004;p135
14. SHANKAR V. GILL TPS. MANNAN SL.
SUNDARESAN S. Solidification cracking in
austenitic stainless steel welds. V. 28. Part 3& 4.
pp. 359-382.Madras : SadhanaJune/August
2003.
15. SATHIYA P. ARAVINDAN S. MAJITH P.
ARIVAZHAGAN B.NOORUL HAQ A.
Microstructural characteristics on bead plate
welding Of AISI 904 L super austenitic stainless
steel using gas metal arc welding process. InteJ
Eng Scie Tech 2010,2( 6). 189-99.
16. VAN BEECK J. KOUZNETSOVA VG. VAN
MARIS. The mechanical behaviour of
metastabel austenitic steels in pure bending . J
Eng Scie 2011, 7207- 7213
17. ATANDA P, FATUDIMU A, OLUWOLE O.
Sensitisation study of normalized 316L stainless
steel. J Min Mater Charact Eng 2010; 9 (1) 1323
ISSN 1410 – 8178
Buku II hal. 381
Fly UP