Prosiding Presentasi /lmiah Dour Bahan Bakar NuklirPEBN-BA TAN, Jakarta} 8- } 9 Maret} 996

ISSN 1410-1998

PENGARUH KECEPATAN PEROLAN TERHADAP KEKUATANIKATAN METALURGIK ANTARMUKA PELAT AIMg-2

Petrus Zacharias, MoHusna AI Hasa, JBo Hersubeno, SardjonoPusat Elemen Bakar Nuklir

ABSTRAK

PENGARUH KECEPATAN PEROLAN TERHADAP KEKUATAN IKATAN METALURGIK ANTARMUKAPELAT AlMg-2. Proses penyambungan antannuka pelat akibat perolan panas terjadi karena adanya difusi unsur-unsur pembentuk di sekitar bidang kontak. Akibat difusi ini akan terjadi ikatan metalurgik antar permukaan pelatyang bersentuhan tersebut. Salah satu faktor yang mempengaruhi kualitas kekuatan ikatan metalurgik adalahkecepatan perolan. Pada penelitian ini perolan pelat AIMg-2 dilakukan pada subu 415 °C dan derajat deformasisebesar 133% dengan kecepatan perolan 10,75; 11,75; 12,75; 13,75; 14,75 m/menit. Pelat basil perolan dikenai ujigeser, uji metalografi dan kekerasall masing-masing untuk mengetailui kekuatan ikatan metalurgik, mikrostruktur dankekerasan daerah sambungaJl. Dari basil uji geser didapat data hublmgaJl antara kecepatan perolan terhadap kekuatanikatan metalurgik. Nilai maksimum kekuatan ikatan metalurgik 74,12 MPa didapat pada kecepatan perolan 13,75m/menit, dan kecepatan ini merupakan kecepatan optimum perolan yang dapat mengh8silkan kekuatan maksimumikatan metalurgik antannuka pelat AIMg-2.

ABSTRACK

THE EFFECT OF ROUING SPEED ON THE METAUURGICAL BONDING STRENGTH AT INTERFACEOF ALMg-2 PLATE. Metallurgical bonding process at the interface of ALMg-2 plate couple due to hot rolling wascause by atomic diffusion phenomenon. One of the rolling parameters detennining the quality of metallurgicalbonding stemgth is roliing rates. On this research, a couple of ALMg-2 plate was rolled at temperature 415 'C anddegree ofdefonnation 133%. The roling speed was 10,75; 11,75; 12,75;13,75;and 14,75 mlminute. Samples wereexamined using tension shear tester, optical microscope, and Vickers hardness tester to detennine the strength ofmetallurgical bonding, microstruture and hardness of the bonding, respectively. Data of the tension shear testingshow that there is a relationship between the rolling speed and the metallurgical bonding strength. the maximumvalue ofnletaluurgical bonding strength of 74,12 Mpa was found on the roling speed of 13,75 mlminute, and thusthis is the optimum rolling speed to get a maxinlum metallurgical bonding strength at the interface of ALMg-2 plate.

itu,penelitian tentang kekuatan ikatan metalurgikdaerah sambungan antar pelat akan sangatbermanfaat untuk meramalkan unjuk kerja pelatclemen bakar di reaktor.Dari percobaanpendahuluan, ternyata kekuatan ikatanmetalurgik sangat dipengaruhi oleh kecepatanperolannya. Maka dati itu, penelitian yangdilakukan adalah bertujuan untuk mencarikondisi kecepatan perolan optimum yang dapatmenghasilkan sambungan antar pelat AIMg-2dengan kekuatan ikatan metalurgik maksimum.Pada penelitian ini digunakan teknik perolanpanas pada suhu di atas suhu rekristalisasi bahanAIMg-2 dengan tingkat deforrnasi tetap. Prosespenyambungan antar muka pelat terjadi karenaadanya difusi atom-atom unsur pembentuk disekitar bidang kontak pel at, sehingga terjadiikatan metalurgik antar permukaan pelat yangbersentuhan. Kualitas ikatan metalurgik sangatbergantung pada beberapa faktor antaralainkekasaran permukaan,derajat deformasi, suhu daDwaktu difusi. Deformasi pada sam pel terjadikarena adanya tekanan yang berasal dati gerakanjepit roda-roda rol dan gerakan geser-gesek antar

PENDAHULUAN

Penggunaan bahan bakar jenis dispersiU3Si2-AI angka muat tinggi sebagai penggantiU3Og-AI akan memberikan konsekuensi yangperlu diantisipasi karena adanya kemungkinanpernbahan sifat mekanik inti elemen bakar (IEB)daD meluasnya kerns.uan IEB akibat radiasidengan derajat bakar tinggi. Iradiasi pada kondisiini selain mengakibatkan kerns.uan yang lebihluas juga menghasilkan produk fisi yang lebihbanyak baik padat maupun gas. Produk fisibernpa gas pada kondisi ini akan memilikitekanan yang cukup besar di dalam IEB, sehinggapelat pembungkus, bernpa AIMg-2 hams mampumenjaga integritas pel at clemen bakar. Daerahpaling lemah dari pel at pembungkus ad.1lahbagian sisi bingkai yang terdiri dari tiga lapisanpelat AIMg-2 yang disatukan secara perolanpanas.

Kekuatan ikatan rnetalurgik di daerahsarnbungan antar pelat tidak sarna dengankekuatan tank rnasing-rnasing pelat. Olch karena

184

Prosiding Pre,enla'i J1miah Dour Bahan Bakar NukIirPEBN.BATAN,Jakarla /8-/9Marel /996

roda-roda rol dengan sampel4. Deformasi padapelat AlMg-2 di atas suhu rekristalisasinya akanmenimbulkan pelunakan melalui mekanismerekoveri dinarnik, sehingga akan mempermudahproses pembentukannya3. Selain itu pada prosessuhu tinggi akan lebih memacu terjadinya difusiatom di daerah bidang kODiak antarmuka pelat.Waktu difusi dapat dihubungkan langsungdengan kecepatan perolan. Makin tinggikecepatan perolan, semakin singkat waktudifusinya. Selain itu kecepatan perolanmempengaruhi juga laju deformasi atau lajuregangan. Oleh sebab itu, kecepatan perolandapat digunakan sebagai parameter penentukualitas ikatan metlurgik antarmuka pelat. Padapenelitian ini, perolan panas dilakukan pada suhu415 °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 perolankemudian dikenai uji geser, metalografi dan ujikekerasan mikro Vickers, masing-masing untukmengetahui kekuatan ikatan metalurgik,mikrostruktur serta kesempurnaan sambungan,daD kualitas sambungan.

Uji geser dilakukan dengan mesin uji tarikaksial. Sampel uji metalografi dietsa denganlarutan 10% H2SO4, 5% HF dan 85% H2O selama30 detik kemudian diamati dengan mikroskopoptik dan difoto. Uji kekerasan mikro dilakukandengan metoda Vickers untuk beban 15 g.

HASD.. DAN BAHASAN

Gambar I(B) menunjukkan pola hubunganantara kecepatan perolan terhadap kekuatanikatan metalurgik. Nilai. Kualitas sambunganmenurun untuk kecepatan perolan lebih rendahrnaupun lebih tinggi dari 13,75 m maksimumkekuatan ikatan metalurgik 74,12 MPa didapatuntuk pel at yang dirol dengan kecepatan 13,75mime nit Imenit. Padakecepatan lebih kacil dari13,75 mime nit penurunan suhu sampel relatiflebih besar dibandingkan dengan kecepatanperolan pada 13,75 mlmenit, sehingga lajudifusinyapun lebih rendah meskipun waktudifusinya relatif lebih lama. Untuk kecepatanlebih besar dari 13,75 mlmenit ternyata diarnatipula adanya penurunan kualitas kekuatan ikatanmetalurgik. Hal ini terjadi karena walaupun suhusarnpel relatif masih tinggi tetapi waktu difusinyajuga sangat singkat. Hasil uji kekerasan di daerahsambungan ditampilkan pada Gambar I(C). Hasilini mendukung basil uji geser dengan polagambar yang bersesuaian. Kualitas ikatanmetalurgik berharga maksimum untuk kecepatanperolan 13,75 mlmenit. Kebenaran kualitas ikatanmetalurgik rnaksimum daD bahkan terbaik padakecepatan perolan 13,75 mime nit dapat dilihatpada Gambar 2 grafik E, yang menunjukkan sifatketangguhan paling tinggi.

METODOLOGIPENELITIAN

Bahan yang digunakan adalah pelat AIMg-2. Bahan ini digunakan sebagai pelatpembungkus IEB sehingga menjadi PEB.Preparasi awaJ meliputi pengukuran dimensipelat. pembersihan dari oli daD lemak sertapenyikatan permukaan pelat. Tebalawal pel atadalah 4,94 rom. Pembersihan dilakukan denganalkohol daD nap lam tan perchloretylene padasuhu 120°C selama 15 meDii. Kemudianpermukaan pelat disikat sehingga menjadi kasaragar saat perolan tidak mudah tergelincir. selainitu penyikatan berfungsi juga sebagai pemecahlapisan oksida yang mungkin ada dipermukaanpelat. Lapisan oksida di daerah antarmuka pelatdapat menjadi penghalang terjadinya difusi atom.

Kualitas ikatan metalurgik yang didapat dariuji geser daD kekerasan temyata sesuai denganpengamatan kualitas sambungan secarametalografik. Dan basil tersebut dapat dilihatbahwa nilai maksimum kekuatan ikatanmetalurgik dapat diperoleh pada kecepatanoptimum perolan 13,75 m/menit.

Sebelum dirol, pasangan pelat dilas padasebagian sisinya, kemudian dikenai perlakuanpanas pada suhu 415°C selama 30 menit. Perolanpanas dilakukan pada suhu 415°C dengan variasikecepatan 10,75; 11,75; 12,75; 13,75 dan 14,75mlmenit dengan derajat deformasi 133%. Selesaidirol, semua sampel dianil pada suhu 425°Cselama satu jam untuk menghilangkan teganganakibat perolan tersebut. Pembuatan sampel ujigeser, berukuran 140 x 20 mm, dengan luasbidang geser berkisar antt1ra 20-25 mm2 daD tebal1,33 mm, menggunakan mesin milling. Sampeluji metalografi daD uji kekerasan dibuat untukmasing-masing kecepatan.

Dari Gambar 1(8) dapat dilihat bahwauntuk kecepatan perolan lebih kecil dari 13,75mlmenit terjadi kecenderungan penurunankualitas ikatan metalurgik, demikian juga untukkecepatan perolan yang lebih besar. Jika kondisiderajat defonnasi tetap, maka faktor yangmempengaruhi kualitas ikatan hanya suhu danwaktu difusi. Pengaruh faktor-faktor ini dapatdiamati dari Gambar I. Untuk kecepatan perolan10,75 mlmenit , nilai kekuatan ikat dankekerasannya rendah, karena pada kondisi inipenurunan suhu sampel relatif lebih banyak bila

185

Prosiding Presentasi llmiah Daur Bahan Bakar Nuk/irPEBN-BATAN, Jakarta 18-19Maret 1996

Vickers akan menghasilkan kesalahan ukur yangbesar. Semakin ringan bebannya akan sernakinbesar kesalahannya. Hal ini disebabkan pengaruhrekoveri elastiknya relatif tinggi. Jika padasampel ini dikenakan beban labih besar dari 15 g,maka pengaruh laju regangan yang berbeda untuktiap sampel menjadi dominan. Akibatnyapengaruh kualitas sambungan yang terbentuktidak dapat diukur.

diban-dingkan dengan kecepatan yang lebihtinggi, sehingga laju difusinyapun lebih rendah,meskipun waktu untuk berdifusi lebih lama.Oemikian juga untuk kecepatan perolan 11,75mlmenit terhad.1p 12,75 mlmenit, 12,75 mlmenitterhadap 13,75 mlmenit.

Pada kecepatan perolan lebih bes.'lr dati 13,75mlmenit terjadi hat yang sebaliknya, yaitu padakondisi ini justru waktu difusi yang berperan,karena meskipun penurunan suhu s.'lmpel relatifkecil atau suhunya relatif masih tinggi, tetapinilai kekuatan ikatnya tetap saja lebih rendah datikecepatan 13,75 mlmenit. Hal ini disebabkanatom-atom tidak cukup waktu untuk berdifusi,karena waktu kontak sampel dengan roda rolsangat singkat. Karena itu dapatlah dikatakanbahwa titik ( 74,12 ; 13,75 ) pada Gambar 1(B)adalah titik optimum hubungan antara waktu dansuhu difusi sehingga didapat nilai kekuatan ikatmaksimum. Kebenaran pernyataan di atasdidukung oleh grafik-teknik uji geser (Gambar 2)yang menunjukkan bahwa ketanggllhan grafik E(sampel yang dirol pada V = 13,75 mlmenit)

lebih baik dati yang lain. Kualitas ikatanmetalurgik yang didapat dati uji geser ini ternyatasesuai dengan kuaJitas sambungan basil

pengamatan metalografik.

SIMP ULAN

Hasil penelitian pengaruh kecepatan perolanterhadap kekuatan ikatan metalurgik antannukapelat AIMg-2 dapat disimpulkan sebagai berikut.Pada suhu pemanasan sampel 415°C daD derajatdeformasi 133% kekuatc'1n maksimum ikatan

metalurgik (74,12 MPa) dicapai pada kecepatanperolan 13,75 mlmenit. Untuk rentang kecepatanperolan lebih kecil dari 13,75 mlmenit ku.'1litaskekuatan ikatan metalurgik dipengaruhi olehsuhu, sedangkan untuk kecepatan perolan lebihbesar dari 13,75 mlmenit dipengaruhi oleh waktudifusi. Berdasarkan basil ini dapat disimpulkanbahwa kecepatan optimum perolan untukmendapatkan kekuatan maksimum ikatanmetalurgik antannuka pelat AIMg-2 adalah 13,75mlmenit.

Dan uji metalografi diperoleh gambarmikrostruktur daerah Sc'lmbungan dan sekitarnyaseperti diperlihatkan pada Gambar 3. Gambar3(a), 3(B), 3(c), 3(d), daD 3(e) masing-masingadalah gambar mikrostruktur untuk sampel yangdirol pada kecepatan 10,75; 11,75, 12,75, 13,75,dan 14,75 mlmenit. Kualitas sambungan terbaikdidapatkan pada sampel dengan kecepatanperolan 13,75 mlmenit seperti terlihat padaGambar 3(d). Daerah sambungan pada gambarterlihat bagai garis celah yang terputus-putus.Berdasarkan data analisis yang menggunakanSEM-WDS di daerah celah ini terdapat semuaunsur pembentuk AIMg-2(2). Data tersebutmembuktikan adanya atom yang Sc'lling berdiftlsidi daerah antarmuka pelat daD membentuk ikatanmetalurgik.

SARAN

Dari penelitian ini telah dibuktikan adanyakondisi optimum kecepatan perolan terhadapkekuatan ikatan metalurgik antarmuka pelatAIMg-2. Oleh karena itu disarankan untukmemakai kecepatan perolan 13,75 mlmenit padaproses fabrikasi PEB reaktor riset agar diperolehkualitas PEB yang terbaik.

UCAPAN TERIMAKASIH

Pada kesempatan ini penulis mengucapkanterimakasih kepada semua pihak yang telahmembantu kegiatan penelitian ini, terutamakepada rekan-rekan di Sub-bidang fabrikasiIPEBRR ant.:..ra lain Sdr. Susworo, Sdr. YatnoDwi Agus daD Sdr. Dadang.

Hasil uji kekerasan di daerah s.1mbunganmenunjukkan adanya kecenderungan kualitasikatan yang sarna dengan hasil uji geser daDmetalografi. Kualitas kekeras.1n tertinggidiperoleh dari sampel yang dirol pada kecepatan13,75 m/menit. Hasil uji ini hanya unttlkmenunjukkan kualitas kekeras.1n saja dan bukanuntuk nilai kekemsan sambungan karena bebanyang digunakan sangat ringan (15 g).Penggunaan beban yang ringan (lebih kecil dari200 g) pada uji kekerasan mikro dengan metoda

DAFfARPUSTAKA

1. ASM," Hardness Testing ". Metal Park Ohio,1987.

2. AI Hasa. M.H.," Ikatan Antarmuka PelatPaduan AIMg-2 Hasil Perolan Panas ", ThesisS-2, ITB, 1994.

3. Siswosuwarno, M.," Teknik PembentukanLogam ", Jilid I, T.Industri, ITB, 1985.

186

Prosiding Presentasi Ilmiah Dour Bahan Bakor NuklirPEBN-BATAN.Jakarta /8-/9Maret /996

dengan dimensi plat sampel. Kriteria ujigeser adalah berdasarkan metoda ns.

4. Dieter, G.E., " Mechanical Metallurgy ",

McGraw Hill Inc., Tokyo, 1976.S. Hayden, W., et all, " Mechanical Behavior ",

John Wiley & Sons Inc., Sydney, 1965.3. M. NURDIN

TANYA JAWAB

sm AMINI

Dari gambar 1, ada 2 trend kurva B-Cdemikian pada kecepatan > 13,7 trend kurvamenurnn..Apa yang dapat Sdr. simpulkan dari trend

kurva tersebut ?.Apakah dengan hanya kecepatan,tekanan,

daD kekerasan tersebut dapat dikatakanmaterial itu sudah cukup kuat ?

PETRUS. Z

.Yang dapat disimpulkan adalah bahwaadanya daerah optimum hubungan antarakualitas kekuatan ikatan metalurgik dankecepatan perolan. "Trend" tersebutmenunjukkan bahwa pada daerahkecepatan < 13,75 mlmenit faktor suhuplat yang dominan, sedangkan > 13,75mlmenit faktor waktu difusi yang dominan.

.UN=13,75 mlmenit di dapat hargakekuatan maksimum, yang berarti ikatanmetalurgik yang terbentuk kualitasnyaterbaik ( terkuat ).

.Dinyatakan bahwa kualitas ikatanmetalurgik yaitu yang mempunyai nilaikekerasan yang tinggi bergantung padasuhu dan waktu difusi. Pada percobaan iniSdr. melihat Caktor waktu difusi darikecepatan perolannya. Temyata semakintinggi kecepatan kekuatan optimumnyamenu run .

.Mohon dijelaskan mekanisme metal-

urgiknya.Bagaimana anggapan Sdr. tentang siCat

metalurgik bahan dalam kaitannya dengansuhu difusi, apakah perlu diteliti juga?

PETRUS.Z

4. T AUFIK USMAN

.Kriteria pengujian ikatan metalurgik ataufaktor apa saja yang menentukan kekuatanmetalurgik !

.Berapa nilai kekuatan metalurgik yangoptimal untuk jenis elemen bakar reaktorriset tersebut ( spesifikasinya ).

.Semakin tinggi kecepatan perolan, berartiwaktu difusi semakin singkat sehinggakesempatan atom-atom untuk berdifusi kedaerah antarmuka semakin sedikit daDsebaliknya untuk kecepatan rendahmekanisme pembentukkan ikatanmetalurgik adalah mekanisme saling difusiatom di sekitar dacrah antar muka plat.Karena adanya perbedaan konsentasi atomdan suhu yang Icbih tinggi di daerahantarmuka.

.Derajat deformasi berpengaruh pada suhudifusi ( umumnya ).

2.MARADU SIBARANI PETRUS. Z

Bagaimana kriteria pcnerimaan ujikekerasan dan uji gescr terhadap basil roldan bagaimana pclaksanaannya schinggadisimpulkan dengan parameter 13,75m/dm dikatakan lebih baik !

.Kriteria pengujian ikatan metaJurgik.Faktor-faktor penentu kekuatan ikatantersebut antara lain:-Kebersiban permukaan plat.-Kekasaran permukaan plat.-Derajat deformasi subu daD kecepatan

perolan.PETRUS.Z

.Nilai kekuatan ikatan metalurgik optimalyang di dapat dari uji geser adalah sarnadengan setengah ( 1/2 ) dari kekuatan tarikbahan tersebut.

.Kriteria penerimaan uji kekerasan daerahsarnbungan antara lain adalah hargapengukuran kekerasan tidak dipengarnhioleh efek laju regangan setiap Sc'lmpel dandimensi jejak ( identitas ) harns sesuai

187

Prosiding Presentasi //miah Daur Bahan Bakar NuklirPEBN-BATAN.Jakarta 18-19Maret 1996

(b) v = 11,75 mlmenit (800 X)(a) V = 10,75 mlmenit (800 X)

(d) V = 13.75 mlmenit (800 X)(c) V = 12,75 mlmenit (800 X)

Gambar 3. Strukturmikro daerah sambunganantar muka pelat AIMg-2 denganberbagai kecepatan perolan dan dietsadengan 10 % H2SO4, 5 % HF dan 85% H2O selama 30 detik.

(e) V = 14,75 mlmenit (800 X)

188

Prosiding Pro~enta.ri /lmiah Dour Bahan Bakar NuklirPEBN-BA7:'!N, Jakorta 18-19 Maret 1996

Gambar 1. Hubungan antara kecepatan peralan terhadap kekuatan ikatan metalurgik antar muka pelatAIMg2 (B), daD terhadap kekerasan Vicker's 0,015 di daerah sambungan.

80 ...--.:~-~1::::::r::::f.;;::I::~:~::t:"

:~.::::I::::::t::::]::::I:=I:~-~I:::~f:::::J:::::~~~(~~I~~~~ ~~t~~3~~~:

70 .~...!:::J::~,

Z~j

..- ~ ... ,

:= :1:

;0 -~

~

,..#,r~i~

:

60~

~:~:l::j:~~:17

..~

50_t::-.;

i.."fif..

~..

"..."

~ J ' l -'... ,.. ,

t.. ::0. ::~ :...: ~-:-::.

:~i~I~~~I~~~I~~~

E

i-.~

i

i~

~

B -.-E

I~,

:::1:::::.1::::} :::~:::::

::::: ..J

..-,::::

..~..c --o-F

I..~.

'..-_O}OO'-

::: ::::-0

01!

0

0,

i

10r';IZ.: * " !!..-::t:::t:: L

010 12 140 2 4 6 B

Jarak geser. Cm. Skala 1 50

E : V = 13,75 mlmenitF: V= 14,75 mlmenit

Keterangan B: V ='10,75 mlmenitC : V = 11,75 mlmenitD: V = 12,75 mlmenit

Gambar 2. Hubungan kekuatan ikatan metalurgik terhadap jarak geser antar muka pelat AlMg-2 uotuk

berbagai kecepatan.

189

4

3

2