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 : saefulhidayat57@yahoo.co.id

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.

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

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 diperlihatkan pada Gambar 10.

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.

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.

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 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

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

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.7^rd 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. 2^st 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