PENGARUH PEROLAN: TERHADAP KARAKTERISTIK TERMAL AIMg/

(1)

Prosiding Pertemuan

Ilmiah Sains Materi 1996

PENGARUH PEROLAN: TERHADAP KARAKTERISTIK TERMAL AIMg/

Aslina Br Ginting2, Nusin S2, Hasbullah N2, Dian A S2, Amini2,

Abstrak

PENGARUH PEROLAN TERHADAP KARAKTERISTIK TERMAL AIMg2. Paduan AlMg2 yang digunakan sebagai bahan pernbungkus (cladding) bahan bakar ripe dispersi uranium oksida maupun silisida dengan matrik aluminium, dipelajari karakteristik tennalnya sebelum daD sesudah perlakuan perolan terakhir. Proses perolan diduga dapat merubah karakteristik termaI maupun sifat metalurgik bahan AIMg2. Penelitian dilakukan dengan cara membandingkan sifat tennal AlMg2 segar sebagai bahan baku dengan AIMg2 basil perolan serta korelasinya dengan perubahan mikrostruktur. Sifat termaI yang diamati adalah konduktivitas panas (k), koefisien muai panjang (a) tennasuk perubahan panjang (61..), panas lebur (Illi) daD kapasitas panas (Cp). Parameter temperatur dari 100 hingga 400°C, diamati pada pengukuran dengan tennalkonduktometer daD dilatometer pada kecepatan pemanasan SoC/menit, sedangkan untuk penentuan panas lebur dan kapasitas panas rnasing-masing diukur dengan alar DTA pada temperatur program 300-700°C, SoC/menit daD DSC pada temperatur 30-4S0oC, SaC/meDiI. Ukuran butir diarnati dengan mikrokop optik. Hasil pengarnatan menunjukkan bahwa pada urnunrnya nilai karakteristik tennal bahan AIMg2-segar maupun AlMg2- rol bertambah besar dengan adanya kenaikan temperatur. Nilai karakteristik tennal bahan AIMg2 rollebih besar dibanding AlMg2 segar kecuali nilai konduktivitas panas yang menunjukan penurunan sebagai pengaruh dari perolan. Ukuran butir AIMg2 sebelum daD sesudah perolan menunjang mekanisme fisik perubahan karakteristik termal.

ABSTRACf

EFFECFTS OF ROLLING TREATMENT ONTO AIMg2 THERMAL CHARACfERISTICS, AlMg2 alloys which was used for cladding materials of the oxide and silicide fuel element dispersion types in the aluminum matrix were thermally characterized before and thereafter the finished rolling treatment. It was assumed that thermal characteristics even metallurgical properties of material would be influenced by the rolling treatment. The research was conducted by comparison of thermal properties between unrolling with rolling materials included the possibly changes of correlating microstructures. The thermal properties studied were thermal conductivity (k), thermal expansion coefficient(a) included the expansion changes (AL), the enthalpy changes (~) and the heat specific capacity (Cp.). The temperature parameter from 100 to 400°C was studied in the measurement using thermal-conductometer and dilatometer on the constant heating rate of 5°C/min, whereas the enthalpy change and the heat specific capacity were measured respectively by DTA at the programming temperature from 300 to 700°C, rate of 5°C/min. and DSC at temperature from 30 to 450°C, rate of 5°C/min. The grain size was determined by the optical microscope. The results revealed that generally the thermal characteristics values of unrolling and rolling AlMg2 materials was increased by the increasing of temperatures. Those of rolling materials were greater than those of unrolling materials except the thermal conductivity value which showed the decreasing due to rolling process course. The physical mechanism of thermal characteristics changes phenomena was supported by the grain sizes results of both unrolling and rolling materials.

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Paduan AIMgz digunakan sebagai bahan

kelongsong atau pem bungkus bahan bakar dispersi U3Og-AI atau U3Siz-AI. Pemilihan bahan AlMgz ini berdasarkan sifat-sifat yang dimilikinya antara lain [I] :

-.Konduktivitas panas yang tinggi

-.Tahan terhadap korosi air pendingin, udara dan uap air.

-.Pengaruh iradiasi terhadap paduan AIMgz yang relatif sedikit

-.Penampang lintang penyerap netron termal yang relatif rendah

-.Fabrikasi dan perolehannya mudah.

Sebelum bahan AIMgz digunakan sebagai

kelongsong atau sebagai pembungkus bahan

bakar dispersi U3Og-AI atau U3Siz-AI, pada proses produksi elemen bakar reaktor fiset, pelat AIMgz terlebih dahulu dikenakan proses perolan bertahap yang diikuti dengan proses anealing. Tujuan perolan adalah untuk mereduksi tebal pelat AIMgz dan memperoleh pelat elemen bakar dengan sifat-sifat

metalurgik daD fisik sesuai dengan spesifikasi

yang dipersyaratkan. Akibat proses perolan

diduga akan merubah sifat metalurgik, sifat mekanik dan sifat fisik dari bahan AIMg2 terse but.

Untuk memperoleh unjuk kerja elemen bakar yang baik maka perlu dipelajari perubahan sifat mekanik, sifat fisik dan sifat metalurgik dari bahan tersebut selama proses fabrikasinya.

Mengingat pentingnya sifat-sifat tersebut maka penelitian dilakukan dengan tujuan untuk mengetahui sejauh mana pengaruh perolan terhadap karakteristik termal bahan AIMg2 serta keterkaitannya dengan perubahan ukuran butir. Dalam penelitian ini karakteristik termal AIMg2 dibatasi pacta pengamatan sifat fisik yang mencakup :

-.Konduktivitas panas(k = W/mOC)

-.Koef muai panjang (a= °C.I) termasuk pertambahan panjang (AL= 1.1In)

-.Entalphy atau panas lebur (AM = J/gr) dan titik lebur ~C) -Kapasitas panas (Cp = J/grOC).

1 Dipresentasikan

pada Seminar Ilmiah PPSM 1996

2 Pusat Elemen Bakar Nuklir -PEBN

(2)

TEORI

Perolan dingin daD panas

Proses

perolan dapat dibedakan

atas 2

bagian yaitu perolan dingin dan perolan

panas.Perbedaan

perolan ini se illata-illata

hanya pada temperatur [2]. Perolan dingin

pengerjaannya

dilakukan dibawah temperatur

rekristali sasi atau biasanya dilakukan pada

temperatur kamar. Proses perolan dingin

menyebabkan bahan AIMg2 mengalarni

perubahan bentuk baik

secara mikro

struktur maupun

makro struktur. Secara

makro

bahan bertambah panjang sesuai arab perolan

dan secara mikro butir-butir mengalami

pemanjangan daD pemipihan. Dalam proses

perolan dingin disamping menipiskan pelat

juga akan memberikan pengerasan akibat

regangan karena terjadinya peningkatan

kerapatan dislokasi bahan AIMg2. Perolan

panas adalah pengerjaan

yang dilakukan pada

temperatur

tinggi

diatas

temperatur

rekristalisasi, karena tegangan alir bahan

menjadi lebih rendah sehingga membutuhkan

beban rol yang relatif kecil tetapi deformasi

yang dihasilkan relatif besar [ 3] .Perolan panas

pada proses pabrikasi pelat elemen bakar

mempunyai dua keuntungan. Pertarna adalah

didapatkan

kemudahan pada

proses

pengurangan tebal, dan kedua adalah

didapatkan sifat-sifat metalurgikl mekanikl

fisik yang terkontrol sesuai dengan kondisi

yang dikendaki. Selain kedua hal tersebut,

perolan panas dapat pula mendistribusikan

kadar unsur pemadu yang sebelumnya tidak

homogen akibat segregasi

dsb. Pelat elemen

bakar reaktor riset diproduksi melalui proses

perolan panas daD dilanjutkan perolan

dingin.

kedudukan atom-atom dati tempat semula. Perolan yang disertai dengan anealing pada 4500 C akan menimbulkan pengintian clan pertumbuhan butir-butir baru [ 4] Tumbuhnya butir baru ini akanmemperbanyak batas butir clan menaikkan energi dalam bahan tersebut. Ditinjau daTi ketidak-teraturan kisi kristal akibat perolan, maka gerakan elektron-elektron dalam struktur tersebut akan terhambat sehingga laju hantar panas juga akan menurun. Sifat termal yang diamati antara lain adalah konduktivitas panas (k), panas lebur (AH), kapasitas panas (Cp), koefisien muai panjang (a) termasuk pertambahan panjang (AI..) yang

masing-masing ditentukan dengan

menggunakan alat Termalkonduktometer, DTA, DSC clan Dilatometer.

PERCOBAAN

Bahan yang digunakan adalah

1. Logarn Standard Sn,Pb, Zn , Al , Ag, Au, Ni , Pd dan Saphir

2. .AtMg2 Segar dan AtMg2 Rot 3. Larutan Etsa

4. Gas Argon UHP 99,99 %

Peralatan yang digunakan

1. TG -DTA' 92 Merk SETARAM

2. DSC '92 Merk SETARAM

3. Dilatometer

Type 801 Merk

Bahr Geretebau

GmbH.

4. Thermalkonduktometer

Merk HOLOMETRIC.

5. Mikroskop Optik Merk ORTHOMET

Tata Kerja.

Penentuan karakteristik termal bahan AIMgz segar daD AIMgz rol yang diamati adalah konduktivitas panas (k) denganTermalkonduktometer, perubahan panjang (L1 L) daD koefisien muai panjang (a) dengan Dilatometer, panas lebur (dB) dengan Differential Thermal Analysis (DTA) serta kapasitas panas (Cp) dengan Differential Scanning Calorimetric (DSC). Pada penentuan konduktivitas panas, bahan AIMgz segar maupun AIMgz yang di rol dipotong dengan ukuran 25xlO mm, kemudian dipanaskan didalam tungku Termalkonduktometer pada temperatur program 100°C hingga 400°C dengan kecepatan pemanasan 5°C/menit. Pada penentuan panas lebur daD kapasitas panas, sampel dipotong dengan ukuran 3x2 mm atau sebanding dengan 50 mg , kemudian dimasukkan ke dalam masing-masing cawan DT A daD DSC, lalu dipanaskan didalam pacta

Analisa Termal

Sifat terrnal ALMg2 sebagai

komponen elemen bakar merupakan salah satu

persyaratan awal yang harus dipertimbangkan

dalam mendesain elemen bakar untuk

menunjang keselamatan operasi reaktor

terutama dalam hal perhitungan perpindahan

panas didalam teras rektor. Prinsip dasar

analisa terrnal adalah pengamatan pengaruh

panas terhadap perubahan ~ifat fisik dari bahan

AIMg2 yang diukur sebagai fungsi temperatur

atau fungsi waktu [ 3 ] .Perubahan sifat

metalurgik yang disebabkan perolan juga akan

mempengaruhi sifat fisik AIMg2. Secara mikro

proses perolan yang dikenakan pada bahan

AIMg2 akan menyebabkan deforrnasi dengan

energi dalam tertentu. Perolan akan merubah

struktur mikro atau ukuran butir yang

mengalarni pemipihan serta memanjang ke

arab rol yang disebabkan oleh pergeseran

(3)

temperatur program 300 C -4500 C dengan kecepatan pemanasan 50 C/menit. Sampel dengan ukuran 50 tungku DT A pada temperatur program 30°C -700 °C dengan kecepatan pemanasan 5°C/menit dan tungku DSC x 10 mm digunakan untuk penentuan koefisien muai panjang sekaligus pertambahan panjang, yang dipanaskan dalam tungku Dilatometer pada temperatur program 300 C-4000 C dengan kecepatan pemanasan 5°C/menit. Sedangkan penentuan ukuran butir dilakukan dengan sampel berukuran lOx 10 mm, kemudian dipreparasi daD diarnati ukuran butirnya dengan Mikroskop optik. Hasil pengukuran karakteristik termal dan ukuran butir bahan AIMgz segar akan dibandingkan dengan bahan AIMgz rol. Perolan AlMgz sesuai dengan standard spesifikasi fabrikasinya yaitu daTi ketebalan bahan 8,3 mm secar& bertahap dirol hingga mencapai ketebalan lebih kurang

1,3mm.

menyebabkan penurunan konduktivitas bahan. Bahan AIMg2 rol mempunyai konduktivitas panas yang lebih kecil dari pada AlMg2 segar. Hal ini disebabkan pada proses perolan panas dengan derajat deformasi tertentu akan terjadi rekristalisasi spontan yang meliputi pengintian daD pertumbuhan butir barn. Banyaknya inti barn yang terbentuk daD pertumbuhan butir yang terkontrrol pada temperatur daD waktu pemanasan tertentu, akan didapatkan ukuran butir yang lebih halus. Butir yang halus mempunyai luas batas butir yang lebih besar dari pada butiran yang kasar. Akibatnya, dengan batas butir yang banyak atau dengan ketidakteraturan orientasi kisi kristal yang tinggi, maka terjadilah penghambatan aliran panas daD penurunan konduktivitas panas (k). Hal ini sesuai dengan basil mikrostruktur (Gambar-6) daD dugaan semula berdasarkan teori yang dikemukakan oleh Van Vlack. [5]

2. Penentuan Panas Lebur

HASn. DAN PEMBAHASAN

Panas lebur (A H = J/gr) bahan AlMg2 ditukur dengan DTA.

Prinsip pengukuran DT A adalah dengan

penentuan

perubahan

energi

(AH)

berdasarkanperbedaan suhu sarnpel (T .) dengan suhu pembanding (T ref) daTi suatu bahan yang diukur sebagai fungsi temperatur atau fungsi waktu. Jika suhu sarnpel lebih besar daTi suhu pembanding (T. > Tref) maka reaksi yang terjadi adalah reaksi eksotermik. Jika suhu sarnpel lebih kecil daTi suhu pembanding ( T. < Tref) maka yang terjadi adalah reaksi endotermik .

Hasil pengukuran dengan DT A untuk bahan AIMg2 segar dan AlMg2 rol ditarnpilkan pada Garnbar-2. Pada suhu 6510 C daD 6280 C diperoleh satu puncak endotermik yang menunjukkan jumlah panas peleburan bahan AIMg2 segar (bahan baku) daD AIMg2 rol. Besarnya panas lebur bahan AIMg2 segar adalah 272,12 J/gr °c, sedangkan panas lebur AIMg2 yang di rol secara bertahap mulai daTi tahap ke-l hingga ke-4 dengan masing-masing derajat deformasi 15,6%, 20,0%, 38,5% dan 77,5% ditunjukkan pada label di Garnbar-2. Panas lebur AIMg2 rol lebih besar dibanding panas lebur AIMg2 segar. Hal ini sesuai dengan praduga awal bahwa kedudukan dan susunan atom-atom lebih stabil dibanding pada AIMg2 rol. Ketidakstabilan susunan atom pada bahan AIMg2 rol disebabkan adanya pembentukan kembali butirlkisi-kisi kristal yang tidak sempurna sehingga terjadi cacat kristal yang mengakibatkan energi dalarn/tegangan sisa yang tinggi. Tingginya energi dalam tersebut juga dipengaruhi oleh

1. Penentuan Konduktivitas Panas

Konduktivitas panas (k = W/m.K) adalah kemampuan suatu bahan untuk menghantarkan panas daTi kandungan panas yang lebih tinggi ke kandungan panas yang

lebih rendah dalam luasan suatu bahan yang disebabkan oleh perubahan susunan atom dan pengaturan kembali susunan atom yang terjadi karena perubahan suhu [5]. Konduktivitas panas dipengaruhi oleh temperatur, luas, tebal ,

komposisi dan densitas daTi suatu bahan. dQ = -k A dT/dx -Qdx k =

A dT

dimana

dQ = Jumlah Panas

A = Luas penampang

dT/dx = Temperatur

gradien

k = Konduktivitas panas

Dari Gambar -1 yaitu pengukuran dengan Terrnalkonduktometer diperoleh bahwa konduktivitas panas pada bahan AIMg2 segar maupun yang di rol pula akan makin tinggi sebanding dengan pertambahan temperatur. Hal ini disebabkan pergerakan getaran' atom -atom meningkat sehingga mobilitas elektron semakin cepat, yang menyebabkan perpindahan panas

pada bahan tersebut semakin cepat dan

konduktivitas panas juga menjadi naik. Ketidak-teraturan susunan atom akan mengurangi mobilitas atom-atom yang

(4)

Dari Gambar-3 daD 4 dapat diketahui bahwa pada proses pemanasan bahan AIMgz segar mempunyai nilai koefisien muai panjang

(cx) dan pertambahan panjang (AL) yang

berimpit dengan nilai cx dan AL pada proses pendinginan. Hal ini ditunjukkan bahwa perlakuan panas pada AIMgz segar sampai dengan suhu 4000 C yang dilanjutkan dengan

proses pendinginan merupakan proses

reversibel atau tidak merubah sifat termal bahan tersebut, dan diperkirakan pada kondisi tersebut telah terjadi proses pemulihan (recovery) mikrostruktur. Namun pada bahan Al Mgz yang dirol, nilai cx daD AL pada proses pemanasan cenderung lebih tingi daripada proses pemanasan AIMgz segar. Demikian pula terdapat kenaikan nilai cx daD AL pada proses pendinginan AIMgz yang di rol setelah mengalarni pemanasan hingga 4000 C. Hal ini disebabkan karena pada bahan AIMgz tersebut

telah dikenakan proses perolan yang

menyebabkan deformasi plastis dari bahan tersebut [4] .

pengontrolan pertumbuhan butir baru selama

rekristalisasi pada proses pero1an, dimana

faktor deformasi memegang peranan penting.

Pada kondisi perolan AlMgz akhir (tahap ke-4)

besarnya energi dalam menurun dibandingkan

dengan

pada perolan sebelumnya.

Hal tersebut

menunjukkan

peran pengontrolan

proses prolan

yang dalam kondisi tersebut diperkirakan

adanya penurunan ketidak-teraturan susunan

kisi kristal dari tahap sebelumnya.

--Penentuan

Koefisien

Muai

Panjang

daD

Pertambahan

Panjang

Dilatometer digunakan untuk menentukan perubahan dimensi, baik

perubahan panjang (IlL)

maupun koefisien

muai panjang (a) daTi suatu bahan padat yang

mengalami perlakuan panas.

Besaran pertambahan panjang daD koefisien muai panjang dapat dinyatakan dengan :

3. 4. Penentuan Kapasitas Panas

Gambar-S menunjukkan pengaruh kenaikan temperatur terhadap nilai kapasitas panas jenis (Cp) daTi AIMg2 segar dan AIMg2 rol. Nilai Cp bertambah besar dengan naiknya temperatur hingga temperatur rekristalisasi, yang dilanjutkan dengan penurunan Cp sebagai

akibat daTi proses pembentukkan inti daD petumbuhan butir baru daD selanjutnya nilai Cp

diperkirakan naik secara linier setelah

rekristalisasi tercapai sempurna. Ditinjau daTi

segi mekanisme fisik, kenaikan temperatur

menyebabkan perubahan energi semakin besar sehingga kemampuan bahan AIMg2 untuk menyerap panas juga lebih besar, ini sesuai dengan hubungan perubahan energi dalam dengan kapasitas pan [S ] .yaitu: AH = m Cp

L\T.

Nilai kapasitas panas jenis AIMg2 rol lebih besar daripada nilai kapasitas panas bahan AIMg2 segar. Hal ini disebabkan karena bahan AIMg2 segar mempunyai energi lebih stabil dibanding AIMg2 rol. Bahan AIMg2 yang mengalarni perolan dengan deformasi tertentu

akan menyebabkan perubahan bentuk daD

ukuran butir dengan energi dalam tertentu. Dengan kala lain adanya deformasi dan perubahan bentuk butir pada bahan AIMg2 rol akan menyebabkan ketidak-teraturan susunan atom yang menghambat aliran panas dalam bahan sehingga dibutuhkan energi yang lebih besar untuk. melakukan penyerapan panas (L\H) sehingga kapasitas panas bahan tersebut juga bertambah besar.

dimana :

(X = koef muai panjang Lt = Panjang pada temperatur t Lo = Panjang mula-mula .1.T = Perubahan temperatur

Pada Gambar-3 yaitu basil

pengukuran dengan Dilatometer dapat diperoleh pertambahan panjang dan koefisien muai panjang bahan AIMgz segar dan AlMgz rol bertambah besar dengan naiknya temperatur. Hal ini disebabkan bahan yang dipanasi cenderung mengalami pemuaian (M..) yang disebabkan oleh pertambahan jarak rata -rata antar atom [5].

Pertambahan panjang dan koefisien muai panjang bahan AIMgz rol mengalami kenaikan dibanding dengan AIMgz segar. Hal menunjukkan bahwa bahan AIMgz rol mempunyai energi dalam tinggi yang menyebabkan proses rekristalisasi lebih cepat daD pertumbuhan butir lebih cepat sehingga

energi yang

diperlukan pada proses

pemuaianpun lebih kecil daD mengakibatkan pertambahan panjang (M..) juga lebih besar.

(5)

.) 'C

Garnbar 3. _Hubungan _temperatur _dengan

koefisien muai panjang (a) pada AIMg2 sebelum daD sesudah dilakukan perolan ~

,-

_..

..

l.r.l.hlp" 1 1.1..I.hlJo.. 1 10'

I

_.

I..

5. Penentuan Ukuran Butir.

Perubahan karakteristik akibat perolan didukung oleh data ukuran butir bahan AIMgz segar daD AIMgz rol yang diamati dengan mikroskop optik. Garnbar 6.a. daD 6.b. menunjukkan morfologi ukuran butir dari AlMgz segar daD AIMgz yang di rol. Pada AIMgz yang di rol (6.b.) tampak ukuran butir yang lebih kecil daTi pada ukuran butir AIMgz segar (6.a). Hal tersebut diakibatkan daTi rekristalisasi spontan yang terjadi pada temperatur relatif kecil di alas temperatur rekristalisasi daD dalam waktu pemanasan yang relatif singkat, yang juga melalui pengkondisian perolan yang terkontrol, sehingga pada kondisi tersebut terbentuk ukuran butir yang lebih kecil. Pada kondisi mikrostruktur dengan ukuran yang kecil, didapatkan energi dalarn yang tinggi, juga sifat mekaniknya pun tinggi.

Oleh karena adanya energi dalarn yang tinggi, maka sifat termal (panas lebur, pertambahan panjang, koefisien muai panjang daD kapasitas panas), juga akan bertambah., tergantung dari kondisi proses perolan untuk mendapatkan karakteristik basil akhir bahan yang dikehendaki .C°/.aJ ._"

+ -"

§1 ~

',' "~

-"LI' t' " ",...

..1

I " ..'" ,. ZS8 .M .I~ -)'C

,

M

Gambar 4. Hubungan temperatur dengan pertambahan panjang (DL) pada AlMg2 sebelum dan sesudah dilakukan perolan Cp. aIM

I

I'~

_,..

1.1

I..

I

I' I.

,;;;

=I~

1=

."

..'

'10 ON

-'_oW, lOcI

Gambar I. Hubungan temperatur

konduktivitas panas AIMg2 ;--:-:--.'-".'. ~--: ~Ii".-~I' I ,.~ ... r

I".

"

,..

, ..,

...

f:::

::'

I'

...

,.

..,

..

I .A

M.

:r~I.1 ,... ~ ~ -~ -~ ~ ~ ~ '~" ..~,_I'CI

Gambar 2. Termogram AlMg2 sebelum dan

sesudah di rol t.1 t..

..'

_I _..,,",, _{AIII.I ..1} 0.1 ,. .t 01 ...01 ,. 'M ...t"

7_1- ~CI

Gambar 5. Hubungan temperatur dengan

kapasitas panas AIMg2

.'

.~

b

a

Mikrografi AlMg2 segar dan yang dirol perbesaran SOX

a). AIMg2 segar b). AIMg2 rol Gambar 6.

(6)

KESIMPULAN

Dari analisis termal diperoleh bahwa

perlakuan perolan jelas merubah

nilaikarakteristik termal bahan AIMg2. Nilai karakteristik termal yang berubah mencakup konduktivitas panas (k), panas lebur (IlH), pertarnbahan panjang (IlL), koefisien muai panjang (a) dan kapasitas panas (Cp). Secara umum nilai karakteristik termal bahan AIMg2 segar dan AIMg2 rol bertambah besar dengan naiknya temperatur. Bahan AIMg2 yang mengalami perolan (AIMg2 rol) mempunyai nilai karakteristik termal lebih tinggi dibandingkan dengan AIMg2-segar, kecuali nilai konduktivitas panas yang mengalami penurunan berkaitan dengan ketidak-teraturan susunan kristal dan kecilnya ukuran butir yang terbentuk.

Aslina Br Ginting :

Reduksi pada proses perolan (tahap IV) yaitu Lo : 6,1 mm menjadi Lt = 2,9 -3 rom. 1..0 -Lt % reduksi = -x 100 % 1..0