1410-8178-2012-2-374

PROSIDING SEMINAR

PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Yogyakarta, 26 September 2012

ISSN 1410 – 8178 Saeful Hidayat Buku II hal. 374

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.

PROSIDING SEMINAR



Saeful Hidayat ISSN 1410 – 8178 Buku II hal. 375

Keywords: austenitic stainless steel, Ti, Y, rolling, annealing, microstructure, hardness.

PENDAHULUAN

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

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 Komposisi SS 316L

1

2

3

4

+ 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

B

PROSIDING SEMINAR




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.

Gambar 2.Diagram alir percobaan

HASIL DAN PEMBAHASAN

Proses Peleburan dan Perolan

Gambar 3. Ingot logam hasil peleburan dan

pemaduan

Gambar 4. Proses rol pada bahan ingot dan bentuk

pelat yang dihasilkan

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.

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.

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


PROSIDING SEMINAR




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.

PROSIDING SEMINAR




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.

PROSIDING SEMINAR




Gambar 9. Strukturmikro paduan SS 316L,

mempunyai ukuran butir No.6 di

ASTM.

Gambar 10. Struktur mikro dendritik fase austenit-

batas 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

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


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

PROSIDING SEMINAR




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


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

PROSIDING SEMINAR




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). IAEA-

TECDOC-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-TECDOC-

1544.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/Eolss-

sampleAllChapter-aspx.

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) 13-

23

1410-8178-2012-2-374

Documents