~"
ProsidingPertemuan1/miahSainsMateri
/SSN/4/0-2897
PERUBAHAN BENTUK STRUKTUR MIKRO LOGAM PADUAN ZIRKONIUM HASIL PELEBURAN PADA BEBERAP A r , r POLA PERLAKUAN PANAS11
v
8aefulHidayar, TatangMulyana2dan Guntur0.8.2
ABSTRAK PERUBAHAN BENTUK STRUKTUR MIKRO LOGAM PADUAN ZIRKONIUM BASIL PELEBURAN PADA BEBERAPA POLA PERLAKUAN PANAS. Telah dilakukan proses perlakuan panas pada logam paduan zirkonium hasil peleburan, pada lima pola perlakuan panas. Perlakuan panas dilakukan untuk mengubah bentuk struktur mikro paduan, yang terdiri dari struktur Dendrit dan Basketweave. menjadi struktur yang mempunyai bentuk butir a equiaxial, dengan besar butir ASTM no.8 dan no.9. Bentuk pola perlakuan panas dibuat dengan mengatur laju kenaikan temperatur, besamya temperatur pemanas.an,waktu pemanasan (holding time) dan laju penurunan temperatur. Bentuk struktur mikro bahan berubah pada setiap pola perlakuan panas yang dilakukan, dan bentuk struktur yang diinginkan dicapai pada kondisi perlakuan panas dengan laju kenaikan temperatur 400"C/jam, temperatur pemanasan 1200"C, waktu pemanasan 9 jam, dan laju pendinginan 50"C/jam.
ABSTRACT THE CHANGING OF THE MICROSTRUCTURE OF THE MELTING RESULT ZIRCONIUM ALLOY IN SEVERAL PATTERNS OF HEAT TREATMENTS The heattreatmentprocessof smeltingresultZirconium alloy has beendoneon five patternsheattreatment.The heattreatmentis doneto changethe microstnlctureshapealloy that consistof Dendritic and Basketweavestnlctures,to becomea equiaxialgrain shapestnlcture with grain size ASTM no.8 andno.9. The pattern of the heat treatmentis made by settling up slope temperature,heatingtemperature,holding time and down slope temperature.The shape of the microstnlcture alloy changeson every pattern heat treatment has been done, and the microstructureshapecan be achievedby the heattreatmentrate of 400oC/hour,at 1200oCwith heatingtemperatureof 9 hours andthe cooling rateof 50°C/hour. KEY WORD
Microstructure,Zirkoniumalloy, Heat treatment
PENDAHULUAN Penguasaan teknologi pembuatan dan pengembangan logam-logam paduan untuk struktur Elemen Bakar Nuklir (EBN) perlu dilakukan, agar kita tidak bergantung sepenuhnya kepada negara lain dalam hal penyediaan bahan struktur EBN. Sampai saat ini, logam paduan yang masih dapat diandalkan untuk bahan struktur EBN adalah paduan zirkonium. Salah satu paduan tersebut adalah Zirkaloy-2, dimana paduan ini digunakan pada reaktor dayajenis BWR (Boiling Water Reactor) [1,2]. Berdasarkan hal tersebut diatas, maka sebagai penelitian tahap awal dibuat paduan zirkonium yang mengarah ketipe Zirkaloy-2. Logam paduan Zirkaloy-2 sebagai struktur EBN, mempunyai unsur dasar Zirkonium dengan beberapa unsur pemadu, yaitu SN, Fe, Cr dan Ni, dengan spesifikasi persentase berat unsur pemadu seperti pada tabel I. Zirkaloy-2 mempunyai struktur Hexagonal rasa a dengan besar butir ASTM no.8 dan no.9 [3]. Bentuk struktur mikro logam Zirkaloy-2 diperlihatkan pada gambar I.
Ingot hasil proses peleburan biasanya mempunyaibentuk struktur yang kasar [I], dan prosespendinginanyang terjadi dari logam cair menjadi logam beku pada cetakan akan mempengaruhibentuk struktur mikro bahan, Proses perlakuan panas pada bahan hasil peleburan dengan pola-pola perlakuan panas tertentu,dapatmengubahbentuk struktur mikro sesuaidenganyangdiharapkan[I], Tabel
Untuk mendapatkan bentuk struktur mikro bahan basil peleburan sesuai dengan spesifikasi zirkaloy-2, daD untuk mengetahui perubahan yang terjadi pada bentuk struktur mikro bahan, maka pada penelitian ini bahan basil peleburan dicoba dilaku panas dengan beberapa pola perlakuan panas.
I Dipresentasikan pada Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1997 2 Pusat Penelitian Teknik Nuklir-BAT AN
14()
Persentaseberat unsur pemaduZirkaloy-2 berdasarkanspesifikasi[1].
141
Dengan mencoba pola-pola perlakuan panas tersebut,diharapkandapatdiketahuibentuk-bentuk pola perlakuanpanasyang cocokuntuk mengubah struktur mikro bahan basil peleburan, menjadi bentuk struktur yang sesuai dengan yang diinginkan
menggunakantungku induksi dengan atmosfir tungku menggunakangas Argon. Jumlah berat masing-masing logam yang akan dipadu, ditimbangberdasarkanpersentaseberat maksimum dari spesiftkasizirkaloy-2. Pemeriksaanstruktur mikro dan pemeriksaanpersentaseberat unsur logam-logam basil peleburandilakukan sebelum prosesperlakuanpanas.Setelahdatastrukturmikro daDdata persenberat unsur diketahui,dilanjutkan dengan proses perlakuan panas. Pola perlakuan panas pada percobaanpertama didasarkanpada literatur perlakuanpanasuntuk paduan zirkonium [I]. dengan solution treatment dimulai pada temperatur rasa 13.Pola-pola perlakuan panas selanjutnyadidasarkandari analisabentukstruktur mikro yang dihasilkandari pola perlakuanpanas pertama, kedua dan selanjutnya,sampai didapat bentukstrukturyang diinginkan. Kondisi dari polapola perlakuanpanasyangdilakukan,diperlihatkan dalambentuktabel2 berikut ini :
Tabel 2. Kondisi pola perlakuan panas.
SOl. 'r
~
c
Pola
Gambar
Strukturmikro logam Zirkaloy-2 2 3 4 '5
PERCOBAAN Bahan Bahanyang dipergunakanpadapenelitian ini terdiri dari : I. Spongezirkonium. 2. Logam Sn,Fe, Cr, dan Ni. 3. Tabnngkuarsa 4. Gas Argon kemumiantinggi. 5. Bahan-bahannntukmetalogJafi. AI at Peralatan yang dipergunakan penelitian ini terdiri dari : 1. Tuogku lnduksi dan Tuogku Tabuog. 2. Peralatan pembuat gelas. 3. Mikroskop optik
pacta
4.XRF. Tata Kerja Pembuatanlogampaduanzirkonimnpada penelitian ini, dilakukan melalui prosespeleburan
Laju kenaikan temperatur ( °C/iam ) 400 400 400 400 400
Tempera- Waktu Pemana tur pemasan nasan.
J~C) 950 1050 1200 1200 1200
~
Laju penurunan temperatur (O~/~
S
7 8
10 9
)
150 125 100 50 50
Perlakuan panas dilakukan pada tungku tabung (tube furnace) yang dilengkapi dengan regulator voltase untuk mengatur kenaikkan dan penurunan temperatur pemanasan. Spesimen logam yang akan dilaku panas dimasukkan daIam tabung kuarsa yang diisi gas argon, untuk mencegah terjadinya proses oksidasi pada logam selama proses perlakuan panas. Jumlah spesimen pada setiap kali percobaan berjumlah dua spesimen, sehingga jumlah spesimen keseluruhan berjumlah sepuluh spesimen. Pemeriksaan struktur mikro bahan basil peleburan maupun basil perlakuan panas, dilakukan pada proses metalografi dengan menggunakan larutan etsa Kroll.
BASIL DAN PEMBAHASAN Paduanlogam zirkooium basil peleburan. berdasarkanbasil pemeriksaanmeogunakanXRF mempunyaiperseotaseberat unsur paduanseperti
dalam tabel 3. Berdasarkan spesifikasi Zirkaloy-2 , persentase berat unsur paduan tersebut diatas, masuk dalam rentang persentase berat unsur paduan untuk zirkaloy-2. Bentuk stmktur mikro logam paduan Zirkonium basil peleburan diperlihatkan pacta gambar 1 dan 2. Tabel 3: Persentaseberat unsur paduanzirkonium basil peleburan.
~Sn Fe
Cr Ni Zr
% berat 1,40
0,20 0.09 0,04 sisanva
Gambar3.
Bentuk struktur Dendrit clan Basketweave pada logam paduan zirkonium basil peleburan sebelum dilaku panas,denganpembesarnn yang lebih besardibandinggambar 1
[5,6]. Transformasi pembentukan struktur Basketweave tersebut terjadi serupa dengaq transformasiMartensitik
Gambar2
Bentuk struktur mikro logam paduanzirkonium basil peleburan sebelum dilaku panas, terlihat adanyastruktur Dendrit dan butirbutir a berbentuk jarum, yang membentuk anyaman, disebut strukturBasketweave
Gambar 4.
Stmktur Dendr;! yang ada pada bahan hasil peleburan, berbentuk menyerupai cabang pohon. Terbentuknya struktur tersebut, terjadi pada saat proses pembekuan,yang disebabkan adanyadaerah beku yang lebar, yaitu perbedaan temperatur antara mulai dan berakhirnya pembekuan yang lebar [4J. Mekanisme pertumbuhanstruktur ini terjadi daTikristal-kristal Dendrit yang tumbuh dari inti-inti dan pada saat pembekuan berakhir, dendrit-dendrit tersebut saling bertemu. Sedangkanstruktur Basketweave berbentuk menyerupaianyamandari butir-butir a. yang berbentuk jarum .Struktur ini terbentuk karenapengaruhdari kecepatanpendinginanyang relatif tinggi pada saatterjadinya transformasirasa 13berstrukturBCC ke rasa a. berstruktur HCP
142
Bentuk struktur mikro logam paduan Zirkonium basil peleburanyang telah dilaku panasdenganpola perlakuan panas pertama.
Pola perlakuan panas pertama dengan kondisi yang tertera pada tabel 2, dicoba untuk mengubahstruktur mikro bahan basil peleburan tersebut, menjadi struktur yang sesuai dengan spesifikasiZirkaloy-2. Dari basil perlakuanpanas tersebut didapat bentuk struktur rnikro yang diperlihatkanpadagambar4. Dari gambar 4 tersebut terlihat, bahwa proses perlakuan panas dengan pola percobaan pertarna tidak banyak mengubah struktur awal bahan, karena masih memperlihatkan struktur Dendrit dan Basketweave. Perubahanterjadi hanya p~d:i bentuk butir a. yang lebih kasar. Bentuk
/SSN/4/0-2897
struktur yang tidak banyak berubah tersebut , diduga karena tingginya temperaturdan lamanya pemanasanmasihkurang untuk dapat melarutkan kristal-kristal pembentukDendrit .Selain itu, laju penurunantemperaturmasihterlalu cepat,sehingga butir a yang terbentuk masih berbentukplat-plat memanjang(lamellar) yang membentukanyaman (Basketweave).Bentuk butir a yang lamellar disebabkanwaktu pendinginanyang tidak cukup untuk terjadinya proses difusi pada saat pembentukan butir. Padaperlakuanpanasselanjutnya,dengan mencoba pola perlakuan panas krona, didapat bentuk struktur mikro yang diperlihatkan pada gambar 5. Dari gambar tersebut terlihat, bahwa pola perlakuan panas pada percobaankrona, menghasilkan banyak perubahan pada bentuk srtuktur mikro bahan awal hila dibandingkan dengan perubahanstruktur pada pola perlakuan panas pertama. Perubahantersebut terlihat dari berkurangnya struktur Dendrit. Struktur Dendrit yang masihadabentuknyasudahtidak begitujelas, yaitu berbentukhitam memanjangdengancabang yang tidak jelas. Hal ini memperlihatkanadanya penyatuancabang-cabangDendrit menjadibentuk yang memanjangpada saat proses pemanasan. Disampingitu bentukbutir a menjadilebihbesar.
perlakuan panas ketiga dengan mengubah temperatur pemanasan dan menurunkan laju pendinginan.
Bentuk struktur mikro logam paduan Zirkonium hasill pelebWmlyang telah dilaku dengan pola perlakuan panas ketiga. Pola perlakuan panas ketiga, rnenghasilkan stroktur rnikro dengan bentuk butir a irregular, dan hilangnya struktur Dendrit. Bentuk stmktur rnikro tersebut diperlihatkan pada garnbar 6. Hilangnya struktur Dendrit, rnenunjukkan bahwa ternperntur pemanasan sebesar 1200oC dapat rnelarutkan kristal-kristal pernbentuk Dendrit secara sernpurna, sedangkan terl>entuknya butir a yang irregular, diduga karena laju pendinginan rnasih terlalu cepat, sehingga waktu ang tersedia untuk terjadinya transfonnasi diffusi yang sernpurna belurn rnernenuhi, sehingga untuk rnendapatkan butir a yang equiaxial, diperlukan penurunan laju pendinginan pada percobaan perlakuan panas selanjutnya. Pola perlakuan panas keernpat rnenghasilkan bentuk struktur dengan butir a yang equiaxial, daD hilangnya struktur Dendrit. Bentuk struktur tersebut diperlihatkan pada gambar 7. Besar butir a pada bahan basil perlakuan panas pola keernpat, bila dibandingkan dengan spesifikasi Garnbar5 Bentuk s1ruktur mikro logam paduan Zirkaloy-2 rnasih terlalu besar. Besarnya butir Zirkonium basil peleburnn yang tersebut, diduga karena waktu pernanasannya mengalami perlakuan panas dengan (holding time) terlalu lama, sehingga dengan pola perlakuanpana."kedua. waktu tersebut rnernberi kesernpatan butir untuk Terbentuknya stmktur dengan butir <X turnbuh lebih besar. Untuk rnendapatkan besar butir yang berbentuk batang dan masih adanya sedikit maka struktur Dendrit, bila berdasarkanpada percobaan sesuai dengan spesiftkasi Zirkaloy-2, dilakukan perlakuan panas pola kelima dengan pertama dan kedua, diduga karena waktu dan tingginya ternperatur pernanasan masih belurn rnengurnngi waktu pernanasan. Pola perlakuan cukup, daD laju pendinginan masih terlalu cepat. panas kelirna rnenghasiIkan struktur bahan dengan Untuk rnendapatkan butir a yang equiaxial, daD bentuk butir a yang equiaxial, dan rnernpunyai besa; butir ASTM no.9. Struktur tersebut sesuai rnenghilangkan struktur Dendrit, rnaka dicoba pola
143
Gambar6
dengan spesiftkasi stmktur mikro Zirkaloy-2. Bentuk stmktur mikro tersebutdiperlihatkanpada
batang-batangplat yang makin membesar,dan akhimya membentukbutir yangequiaxial.
gambar 8.
Gambar 7
Bentuk strukturmikro logam paduan Zirkonium basil peleburan yang telah dilaku panas dengan pola perlakuanpanaskeempat
Gambar9
Berdasarkan percobaan-percobaan yang telah dilakukan tersebut, menunjukkan bahwa proses solution treatment pada temperatur 9501050oC pada daerah rasa /3 yang diperlihatkan daIam diagaram rasa Zr-Sn pada gambar 9, yang biasa diIakukan untuk proses perlakuan panas, daIam melarutkan dan menghomogenkan unsur pemadu di daIam matrik /3, menjadi larutan padat /3, belum dapat melarutkan kristal -kristal pembentuk Dendrit. Sedangkan laju pendinginan untuk proses transformasi rasa /3ke rasa a., sangat berpengaruh pada bentuk butir a.. Makin tinggi laju pendinginan, butir a. akan berbentuk batangbatang jarum yang makin hains, dan apabila laju pendinginan diperendah, butir a. membentuk
DiagramFasaZr-Sn
KESIMPULAN Bentuk struktur mikro logam paduan Zirkonium basil peleburan,mengalamiperubahan bentuk, pada percobaanperlakuan panas untuk setiap kondisi pola perlakuanpanas yang dicoba. Kondisi pola perlakuan panas pada percobaan kelima, yaitu pada laju kenaikan temperatur sebesar400°C/jam,dengantemperaturpemanasan sebesar1200oC,waktu pemanasan9 jam dan laju pendinginan50°C/jam,mengubahbentuk struktur awal bahanyang terdiri dari struktur Dendrit dan Basketweave menjadistruktur denganbentuk butir Alpha yang equiaxial,dan mempunyaibesarbutir ASTM no.9, sesuai dengan spesiftkasi struktur mikro logamZirkaloy-2. UCAPAN TERIMA KASm Dana penelitian ini diperoleh dari anggaranpenelitian PPTN-BATAN unhlk tahun 1996/1997.dan terima kasih saya ucapkanunhlk para Star dan teknisi lab. Metalurgi dan Kimia PPTN-BATAN. yang telah membantujalannya penelitianini . DAFTARPUSTAKA
Gambar8
[I] FIZZOlTl C., Principles of Nuclear Fuel Production, Vol. 2, Zirconium, Fuel Cycle Department,ENEA, (1984). [2] LAMARSH J. R., Introduction to Nuclear Engineering, 2nd Edition, Addison-Wesley
Bentuk stJ1lktur mikro logam paduan Zirkonium basil peleburnn yang telah dilakukan dengan pola perlakuan panas kelima .
144
PublishingCompanyReading,Massachusetts, (1982). [3) Zircalloy Fuel Element Canning Tubes. Mannesmannrohren-Werke, Germany,(1975). [4) SURDIA T, CHIJIIWA K., TeknikPengecoran Logam, Association for International Technical Promotion, Pradya Parnrnita, Jakarta,Indonesia,(1975). [5) ROMEISER H.J., TIG-Welding Process, Komunikasi di PPTN, Bandung, Indonesia, (1987). [6J. JEONG Y. H., RHEEM K. S., Effect of Beta Heat Treatment on Microstructure and Nodular Corrosion of Zircaloy-4, Journal of Nuclear Science And Technology, Vol. 30, No.2,(1993).
145
