RANCANG BANGUN DIES UNTUK KOMPONEN SUHU TINGGI

RANCANG BANGUN DIES UNTUK KOMPONEN SUHU TINGGI

Rohmad Salam¹ , Nanda Shabrina¹, Diene Noor Haerani¹

1Pusat Sains dan Teknologi Bahan Maju (PSTBM) – BATAN, Kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang Selatan 15314

Email: salam_rd@yahoo.com

ABSTRAK

RANCANG BANGUN DIES UNTUK KOMPONEN SUHU TINGGI. Telah dilakukan rancang bangun dies untuk komponen suhu tinggi untuk mendukung program penelitian dan pengembangan material reaktor menggunakan bahan K 340. Dies yang dibuat meliputi 3 bentuk yaitu ring, koin, dan plat dengan ukuran tertentu. Dies kemudian di-quenching untuk proses pengerasan dengan menggunakan vacuum furnace dan pendinginan dengan nitrogen cair. Pengujian kekerasan vickers dilakukan untuk uji performa mekanik dies. Didapatkan nilai kekerasan paling tinggi adalah 625,58 HVN untuk dies koin. Selain itu pada pengujian pembentukan komponan, didapatkan bahwa komponen sampel hasil pembentukan memiliki dimensi yang tidak jauh dari dimensi pada resain rancang.

Kata kunci: K 340, dies, struktur reaktor nuklir

ABSTRACT

DIES DESIGN FOR HIGH TEMPERATURE COMPONENTS. Dies design for high temperature components has been carried out to support the research and development program for the reactor materials using K 340. Ring, Coin and plate dies with specific dimensions has been made using CNC and wire cutting method. Dies quenched for hardening process using a vacuum furnace and liquid nitrogen for rapid cooling. The highest hardness value obtained was 625.58 HVN for coin dies. In component forming test, it’s obtained that the dimension of component was not far from the design dimensions.

Keywords: K 340, dies, nuclear reactor structure

PENDAHULUAN

Pembangunan PLTN sudah direncanakan oleh pemerintah Indonesia khususnya BATAN sejak1992 dengan adanya studi tapak di gunung muria, pemilihan bahan struktur reaktor perlu mempertimbangkan faktor-faktor antara lain ketahanan korosi dan ketahanan terhadap suhu tinggi [1]. Pada suhu tinggi, hampir semua logam dan paduan bereaksi dengan lingkungan sekitarnya dengan laju yang cukup berarti dan membentuk lapisan oksida tebal yang tidak bersifat melindungi. Dalam hal ini pengembangan teknik pembuatan komponen suhu tinggi berbasis bahan ODS merupakan salah satu cara yang dapat dilakukan untuk mendukung penguasaan teknologi bahan pendukung reaktor suhu tinggi [2] dan beberapa pengaplikasian bahan ODS ini berbentuk ring (cincin) [3]. Pada penelitian ini dilakukan pembuatan dies berbentuk ring berbahan dasar K 340 dengan diameter luar 20 mm dengan diameter dalam 10 mm sebagai salah satu komponen bahan struktur reaktor berupa paduan berbasis FeCr [4] menggunakan CNC (Computer Numerical Control).

METODOLOGI

Desain dies dilakukan menggunakan program aplikasi gambar 3 dimensi untuk penentukan kepresisian ukuran dies. Pengerjaan kemudian dilakukan menggunakan CNC melalui proses pembubutan dengan skala 0.1 µm dan mesin wire cutting. Bahan yang digunakan untuk pembuatan dies ini adalah K 340 dengan komposisi 1.1%C, 0.9 Si, 0.4%Mn, 8.3% Cr, 2.1% Mo, 0.5% V dan Fe balance [5] dengan nilai kekerasan 156,3 HVN berdasarkan pengukuran dengan alat uji keras Vickers.

Dies Koin terdiri dari 3 bagian, bagian pertama adalah penekan atas berbentuk silinder yang mempunyai ukuran tinggi 5,50 cm diameter 1,50 cm, kedua adalah bagian tengah berbentuk selinder dengan panjang 5,00 cm ditengahnya berlubang mempunyai ukuran diameter luar 4,50 cm sedang untuk diameter dalam 1,52 cm bagian ketiga yaitu bagian bawah berbentuk silinder dengan tebal 0,50 cm diameter 4,50 cm sedang di tengah dengan

Bagian penekan atas Bagian tengah Bagian bawah Gambar 1. Rancang bangun dies koin

Dies plat terdiri dari 3 bagian, bagian pertama adalah penekan atas berbentuk persegi yang mempunyai ukuran lebar 3,40 cm panjang 6,00 cm,dan tebal 1,00 cm kedua adalah bagian tengah berbentuk kotak dengan panjang 8,00 cm ditengahnya berlubang berbentuk persegi mempunyai ukuran lebar 1,05 cm panjang 6,05 cm sedang untuk tinggi di dalam 3,00 cm bagian ketiga yaitu bagian bawah berbentuk kotak persegi dengan tebal 0,5 cm dengan ukuran panjang 8,00 cm, lebar 3,25 cm sedang di tengah dengan tinggi 0,30 cm lebar 1,00 cm panjang 6,05 cm (Gambar 2).

Bagian penekan atas Bagian tengah Bagian bawah

Gambar 2. Rancang bangun dies plat

Dies ring terdiri dari 4 bagian, bagian pertama adalah bagian atas berbentuk silinder yang mempunyai ukuran Panjang 5,50 cm diameter luar 1,50 cm sebagai lubang ring yang di letakkan diantara penekan dan bagian tengah, bagian kedua adalah bagian tengah berbentuk silinder panjang 5,00 cm dengan diameter tengah 1,52 cm diameter keseluruhan 4,50 cm bagian ketiga yaitu bagian bawah berbentuk silider terdiri dari 2 buah silinder, silinder pertama dengan diameter 4,00 cm tinggi 0,25 cm di tengah ada lubang untuk meletakkan bagian pertama dengan ukuran 2,10 cm, berikutnya adalah bagian penekan yang berbentuk silider dengan panjang 5,50 cm dengan di tengah lubang berdiamater 1,50 cm yang berguna sebagai penekan ring (Gambar 3).

Setelah dilakukan rancang bangun pada dies koin, dies pelat dan dies ring, dilakukan simulasi perakitan (assembly) pada dies untuk perkiraan bentuk dan bangun dalam 3 dimensi (Gambar 4).

Bagian Atas Bagian Tengah Bagian Bawah Bagian Penekan Gambar 3. Rancang bangun dies ring.

Dies PLat Dies Koin Dies Ring

Gambar 4. Asembli dies plat, dies koin dan dies ring.

HASIL DAN PEMBAHASAN Proses Pembuatan

Rancangan peralatan dies komponen suhu tinggi konsep di desain dalam skala prototipe dan disusun berdasarkan data dan spesifikasi komponen alat dies komponen suhu tinggi. Penentuan komponen dan pemilihan material dilakukan dengan mengacu pada data desain peralatan dies komponen suhu tinggi [6]. Untuk menekan biaya pembuatan alat, komponen dirancang menggunakan bahan-bahan yang ada dipasaran lokal. Untuk peningkatan efisiensi, rancangan peralatan ini didesain dengan pertimbangan pembuatan dibuat sesuai dengan ukuran dies dan desain dies yang kompak serta mudah diongkar pasang untuk kemudahan pengoperasian dan perawatan.

Proses pembuatan alat dies komponen suhu tinggi dilakukan dengan persiapan alat, pemilihan bahan dan pengerjaan fabrikasi. Persiapan alat fabrikasi dilakukan dengan mempersiapkan mesin, alat perkakas, dan alat uji. Pemilihan bahan dengan mempertimbangkan bebas kotoran minyak khususnya untuk pembuatan bagian tengah dies komponen suhu tinggi. Pelaksanaan fabrikasi dilakukan dengan memperhatikan ukuran, dimensi dilakukan sesuai dengan ukuran yang terdapat pada gambar, begitu juga dalam pelaksanan pekerjaan seperti pemotongan, pengeboran dan pembubutan [2].

Pengujian dilakukan dengan menguji komponen, uji fungsi setelah komponen peralatan dies selesai dibuat daan sudah melewati proses pengerasan (hardening). Untuk pengujian ini dilakukan uji visual untuk melihat secara fisik kondisi dies seperti kehalusan pada saat proses pembubutan karena apabila terdapat goresan akan menyebabkan kesulitan dalam penggunaaanya, selanjutnya uji keras pada alat dies.

Berikut ini adalah proses pembuatan menggunakan pembubutan dengan CNC pada

Gambar 5. Proses pembuatan dies koin dan dies ring dengan pembubutan CNC

Gambar 6. Proses pembuatan dies plat dengan wire cutting

Proses Pendingan Cepat (Quenching)

Proses quenching kemudian dilakukan pada rentang suhu 815^oC–870^oC menggunakan menggunakan media gas nitrogen dalam vacuum furnace [2]. Quenching ini merupakan proses pengerasan (hardening) banyak digunakan dalam industri dan pengerjaan logam untuk mengubah sifat fisik, kimia dan sifat terntu dari suatu bahan [7]. Proses quenching ini bertujuan untuk hardening, untuk menghasilkan struktur mikro martensit dari baja sebagai bahan dasar pembuatan dies ini (Gambar 7) [8].

Dies Plat Dies Ring Dies Koin

Gambar 7. Hasil quenching dengan media gas Nitrogen

Hasil Uji Fungsi dan Stabilitas Dies Komponen Suhu Tinggi

Uji fungsi dilakukan setelah pembuatan dan pengerasan (Hardening) melalui proses quenching dengan vacuum furnace dan media gas nitrogen cair [9]. Uji fungsi dilakukan dengan uji visual untuk melihat secara fisik kondisi komponen seperti hasil pembubutan permukaan pada saat pembentukan komponen adakah terjadi cacat permukaan atau retak (crack) dan uji kekerasan. Uji kekerasan dilakukan dengan menggunakan microhardness vickers dengan berat beban 1000 N dengan lama penekanan 10 detik [10].

a b c d

Gambar 8. Jejak indenter a) sebelum dilakukan treatment panas (quenching) dan sesudah treatment panas pada b) dies koin, c) dies ring, dan d) dies plat

Tabel 1. Hasil uji kekerasan

Jenis Sampel Titik d1 (mm)

d2 (mm)

d rerata

(mm) HV

Dies Plat

1 0,02471 0,03264 0,028675 451,0519 2 0,03066 0,03264 0,03165 370,2423 3 0,03504 0,02316 0,0291 437,9731 4 0,0292 0,03108 0,03014 408,2695 5 0,02786 0,0279 0,02788 477,1423

Rata-rata 428,9358

Dies Koin

1 0,0211 0,02087 0,020985 842,2004 2 0,0211 0,02186 0,02148 803,8312 3 0,02906 0,02928 0,02917 435,8736 4 0,02729 0,02713 0,02721 500,9292 5 0,02584 0,02633 0,026085 545,0693

Rata-rata 625,5807

Dies ring

1 0,02602 0,02629 0,026155 542,1556 2 0,02857 0,0278 0,028185 466,8715 3 0,02857 0,0278 0,028185 466,8715 4 0,0278 0,02857 0,028185 466,8715 5 0,02881 0,02834 0,028575 454,2144

Rata-rata 479,3969

Bahan Sebelum di Heat treatment

1 0,04756 0,04607 0,046815 169,2245 2 0,04891 0,04847 0,04869 156,4422 3 0,05111 0,05007 0,05059 144,9119 4 0,05013 0,05046 0,050295 146,6168 5 0,04769 0,04739 0,04754 164,1024

Rata-rata 156,2596

Tabel 1 menunjukkan hasil uji kekerasan untuk masing-masing dies plat, dies koin dan dies ring. Didapatkan hasil nilai rata-rata kekerasan vickers untuk masing-masing dies plat, dies koin dan dies ring adalah 428,94 HVN, 625,58 HVN, dan 479, 39 HVN. Nilai-nilai tersebut mengalami kenaikan dari sebelum heat treatment dengan nilai kekerasan vickers rata-rata adalah 156,26 HVN. Dies koin memiliki nilai kekerasan paling tinggi dibandingkan dengan dies dalam bentuk lainnya, hal ini dikarenakan bentuknya yang tubular sehingga pada proses pembuatannya dengan CNC, kekuatan mekanik terpusat kedalam satu titik. Adapun metode pengambilan data pada Tabel 1 didapatkan dengan menghitung pada persamaan kekerasan vickers berdasarkan panjang diagonal-diagonal hasil jejak indenter yang terlihat pada Gambar 8.

Gambar 9. Hasil kompakasi dies ring, dies plat dan dies koin.

Selain itu, uji pembentukan komponen juga dilakukan dengan cara menggunakan bahan sampel serbuk besi dengan ukuran partikel 30 µm yang dimasukkan ke dalam dies dan di tekan sebesar 10 MPa atau 20 TON [11] dan ditahan selama 3 menit menggunakan alat kompaksi semi automatis dengan kapasitas 630KN atau 63 TON. Dimensi masing-masing pada komponen sampel hasil pembentukan menggunakan dies ring, dies plat dan dies koin masing-masing adalah diameter luar 22 mm dan diameter dalam 15 mm untuk ring dan panjang 55 mm dan lebar 10 mm untuk plat serta diameter 15 mm untuk coin. Nilai tersebut tidak jauh dari dimensi pada desain rancang awal (Gambar 9).

KESIMPULAN

Desain dan pembuatan dies komponen suhu tinggi berbentuk ring, plat dan koin telah berhasil dibuat menggunakan metode CNC dan wire cutting. Hasil pengujian visual menunjukkan pada semua bentuk dies tersebut tidak ada kebocoran pada sisi dies. Pengujian kekerasan menunjukkan adanya peningkatan kekerasan Vickers pada dies sebelum dan setelah hardening, yakni 156,26 HVN untuk sebelum dan 428.94 HVN - 625,58 HVN untuk sesudah hardening. Sedangkan pada pengujian pembentukan komponan, didaptkan bahwa komponen sampel hasil pembentukan memiliki dimensi yang tidak jauh dari dimensi pada resain rancang.

DAFTAR PUSTAKA

1. K.L. MURTY and I. CHARIT, “Structural materials for Gen-IV nuclear reactors : Challenges and opportunities,” J. Nucl. Mater., vol. 383, no. 1–2, pp. 189–195 (2008).

2. M. KORECKI, J. OLEJNIK, P. KULA, and E. WOOWIEC, “Best practice in heat treatment of large dies made of hot work tool steels”, Proc. Eur. Conf. Heat Treat. 21st IFHTSE Congr., vol. 1, pp. 227–235 (2014).

3. T. JAUMIER, “Study of the tensile anisotropy of extruded ODS steel tubes using notched rings”, EMMC16 - 16th Eur. Mech. Mater. Conf., vol. 1 (2018).

4. R. SALAM, A. DIMYATI, and SUMARYO, “Teknik Pembuatan Baja ODS Fe25Cr0.5ZrO2 Menggunakan Metoda Arc Plasma Sintering”, Prosiding Seminar Nasional Infrastruktur Energy Nuklir. (2018).

5. F. LAMBIASE, A. DI ILIO, and A. PAOLETTI, “Prediction of Laser Hardening by Means of Neural Network”, in Procedia CIRP, vol. 12 (2013).

6. R. SALAM and A. DIMYATI, “Desain dan Perakitan Arc Plasma Sintering Type APS 2”, Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir (2017).

7. C. PARSWAJINAN, B. VIJAYA RAMNATH, M. VETRIVEL, A. RIYAZ AHMED, A.S.A.

SYED MOHAMED BUHARI, C. MUTHUKUMAARAN, I. ANISH HILARY, "Design and fabrication of Impact Die for Powder Metallurgy", Materials Today: Proceedings, Vol 5 (1), pp 329-334 (2018).

8. E. PERELOMA and D. EDMONDS, “Introduction”, in Phase Transformations in Steels, vol. 2, E. Pereloma and D. V Edmonds, Eds. Woodhead Publishing, pp. xix–xxiv (2012).

9. Z. ZURECKI, “Cryogenic quenching of steel revisited”, ASM Proc. Heat Treat., vol. 2006, pp. 106–113 (2006).

10. ANON, “Hardness Testing”, Chart Mech Eng., vol. 25, no. 9, pp. 79–80 (1978).

11. R. SALAM, SUMARYO, and A. DIMYATI, “Pengaruh Tekanan Terhadap Pembentukan Mikrostruktur Fe sebelum Proses Sinter”, Prosiding Pertemuan Ilmiah Ilmu Bahan - PIIB (2016).

DISKUSI

Pertanyaan:

Bagaimana menginterface dari solid work ke CNC dan wire cutting?

Jawaban:

Untuk CNC bukan kami yang mengerjakan, jadi kami hanya memberikan gambar saja kepada bengkel, mungkin mereka akan menggambar ulang yang bisa untuk pengerjaan dengan CNC ataupun wire cutting, untuk bahannya kami gunakan bahan Ishodur K340.