ISSN 0854 - 5561 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009

KARAKTERISASI METALOGRAFI DAN VJI MEKANIKINGOT HASIL DAVR VLANG SKRAP ZIRKALOY-2

Hadijaya

ABSTRAK

KARAKTERISASI METALOGRAFI DAN UJI MEKANIK INGOT HASIL DAUR ULANG

SKRAP ZIRKALOY-2. Kegiatan daur ulang skrap Zirkaloy dilakukan untukmengefisienkan teknis penyimpanan sampah fabrikasi kelongsong, upayamemanfaatkan kembali sebagai material klongsong serta untuk dipersiapkan sebagaibahan utama pada pengembangan bahan struktur berbasis Zirkonium. Bahan yangdidaur ulang adalah skrap Zirkaloy-2, merupakan buangan dari proses pembubutankelongsong. Kegiatan daur ulang skrap Zirkaloy-2 telah dilaksanakan diawali denganpencucian skrap, kompaksi, dan peleburan. Hasil peleburan yang dilakukan denganCentorr Furnace tersebut adalah ingot Zirkaloy-2 sebanyak 3 (tiga) sample, selanjutnyadikarakterisasi metalografi serta diuji secara mekanik gun a mengetahui kondisi awalpasca proses peleburan. Berdasarkan gambaran morfologi mikrostruktur dari sejumlahfoto diketahui bahwa pembentukan butir belum merata dan mengalami porositas cukupbanyak terutama pada sample ingot Zr tanpa pengulangan peleburan (171,66 HVN).Sebagian butir hanya nampak pada bagian tepi dari spesimen, sedangkan dibagiantengah memperlihatkan fasa dendrit. Berdasarkan uji mekanik diketahui bahwakekerasan mikrostruktur ingot Zr terbaik adalah yang mengalami tiga kali pengulanganpeleburan (210,33 HVN). Pengulangan peleburan membantu terjadinya homogenitasyang lebih baik. Pada uji mekanik tersebut diperoleh kekerasan ingot skrap Zr-2 rata­rata = 192,23 HVN.

ABSTRACT

METALLOGRAPHIC CHARACTERIZATION AND MECHANIC TEST RESULTS ON

RECYCLING ZIRKALOY-2 SCRAPS. Scrap recycling activities carried out to streamlineZirkaloy technical cornhusk fabrication waste storage, re-use efforts as well as forcIading material prepared as the main ingredient in the development of Zirconium-basedstructural materials. Material is recycled scrap Zirkaloy-2, is a waste of cornhuskfabrication process. Scrap recycling activities Zirkaloy-2 has been implementedbeginning with the washing scrap, pressing, and fusion. Results of fusion are castingZirkaloy-2 by 3 (three) samples, further characterized by metal/ographic and mechanicaltesting to determine initial conditions of post-melting process. According to themicrostructure morphology of a number of photographs is known that the formation ofgrains has not been equitable and experienced enough porosity in the sample,especially without repetition castings melting Zr (171.66 HVN). Some items appear onlyon the edge of the specimen, while the middle shows the phase of dendrites. Based onthe mechanical testing is known that the microstructure of violence is the best Zrcastings which had three repetitions of fusion (210.33 HVN). Repetition helps theoccurrence of fusion better homogeneity. In the mechanical tests are obtained scrapcastings violence Zr-2 mean = 192.23 HVN.

Kata kunci : Zircaloy scraps, Casting, Karakterisasi Metalografi.

505

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009

PENDAHULUAN

ISSN 0854 - 5561

1. Latar belakang

B3N PTBN memiliki kompetensi dalam pembuatan unit elemen bakar reaktor daya,khususnya reaktor nuklir berpendingin air ringan (light water cooled nuclear reactors) yangmenggunakan bahan kelongsong Zircaloy-2 dan Zircaloy-4.

Paduan berbasis zirkonium seperti Zirkaloy-2 dan Zirkaloy-4 telah digunakan pada produksielemen bakar eksperimental di PTBN. Pada kegiatan fabrikasi elemen bakar tersebut terdapat skrapdalam bentuk serpihan dari potongan plat maupun skrap dari pekerjaan pembubutan. Jumlah skrapyang terkumpul dari waktu ke waktu terus bertambah, sehingga diperlukan upaya pemanfaatankembali (daur ulang) skrap Zirkaloy agar menjadi logam yang dapat dimanfaatkan sebagai bahanstruktur utama pad a pengembangan material klongsong reaktor, efektif mengungkung bahan hasilbelah dengan waktu tinggalnya dalam reaktor lebih lama, tahan terhadap iradiasi pada suhu tinggi,serta tahan korosi dalam air panas.

Kriteria yang menjadi unjuk kerja zircaloy dalam reaktor ialah ketahanan terhadap oksidasidan hidridasi, sifat mekanik baik dan tanpa perubahan dimensi yang berarti selama iradiasi di dalamreaktor. Kondisi metalurgi selama proses dan kondisi hasil proses ditentukan oleh komposisi karenaparameter komposisi mengendalikan sifat kimia, fisik, mekanik dan netronik. Untuk mendapatkankelongsong paduan berbasis zirkonium baru yang memenuhi kriteria di atas, para peneliti mulaimelakukan pembuatan paduan-paduan seperti ZrNbFe, ZrNbSi dan sebagainya mulai dari kompaksiserbuk hingga proses peleburan menggunakan tungku busur listrik. Zirkonium memiliki titik leburyang tinggi yaitu 1852 ± 2°C, sehingga untuk membuat paduan berbasis zirkonium harusmenggunakan Centorr Furnace yang memiliki suhu arc dalam orde puluhan ribu Kelvin. Peleburandilakukan dengan pengulangan sebanyak tiga hingga lima kali untuk mencapai tingkat homogenisasiyang lebih baik. Dalam peleburan ini digunakan arus sebesar 80 A dalam kondisi gas inert (gasargon).

Peleburan paduan berbasis zirkonium lebih tepat jika menggunakan arc furnace karenazirkonium memiliki titik lebur yang tinggi. Hasil leburan sam pel paduan berbasis zirkonium yangmenggunakan zirkonium dalam bentuk sponge memiliki kualitas yang lebih baik dibandingkandengan sam pel yang menggunakan zirkonium dalam bentuk serbuk.

Pada kegiatan litbang bahan struktur berbasis Zirkonium, material utama yang digunakanberbentuk sponge, sedangkan unsur-unsur pemadu dalam bentuk serbuk. Peleburan paduanberbasis zirkonium, dengan zirkonium dalam bentuk sponge, menghasilkan sam pel dengan kualitasyang lebih baik jika dibandingkan sam pel yang menggunakan zirkonium dalam bentuk serbuk.

Berdasarkan keterbatasan material Zirkonium yang sampai kini masih import, maka daurulang skrap Zirkaloy-2 kiranya penting dilaksanakan agar material yang bernilai ekonomis tersebutdapat dimanfaatkan pula untuk pembuatan paduan-paduan berbasis Zirkonium dilingkungan PTBN.

2. Tujuan

Kegiatan daur ulang skrap Zirkaloy dilakukan dengan tujuan untuk mengefisienkan teknispenyimpanan sampah fabrikasi kelongsong, upaya memanfaatkan kembali sebagai materialklongsong serta untuk bahan utama pada pengembangan bahan struktur berbasis Zirkonium.

3. Ruang lingkup

Proses daur ulang dilakukan melalui metode casting yang diawali dengan pencucian skrapdan kompaksi kemudian dikarakterisasi metalografi serta diuji karakteristik mekaniknya.

506

ISSN 0854 - 5561

TATA KERJA

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009

1. Bahan

Bahan yang didaur ulang adalah skrap Zirkaloy-2 yang merupakan buangan dari prosespembubutan.

2. Alat

Peralatan utama yang digunakan adalah mesin press dan tungku busur listrik, mikroskop opticdan mikro hardness tester.

3. Cara kerja

1. Pencucian Skrap Zirkaloy

Skrap Zirkaloy (Gambar-1 b) yang merupakan limbah proses pembubutan dalam keadaantercemar olie mesin sehingga perlu dilakukan pencucian dengan aseton agar bekas olietidak menjadi jelaga pad a saat proses casting dengan tungku busur listrik. Selesai dilakukanperendaman selama sekitar 15 menit lalu ditiriskan sampai benar-benar kering.

Gambar-1 a. Bahan Baku Zirkaloy-2 pejal. Gambar-1 b. Scraps Zircaloy-2 buangan prosesfabrikasi yang akan didaur ulang.

2 Proses KompaksiSebelum dilakukan peleburan, skrap Zirkaloy-2 dikompaksi dulu. Kegiatan kompaksi diawalidengan memasukkan skrap kedalam sebuah dies kemudian bersama dies tersebutditempatkan pada mesin press (Gambar-2).

507

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 ISSN 0854 - 5561

Gambar 2. Proses Kompaksi dengan mesin press hidraulik.

Kemudian dilakukan penekanan dengan daya hidraulik pad a tekanan 5 psi. Hasilnya berupapelet seperti pada Gambar 3. Pelet yang berbentuk dadu ini siap dilebur dalam tungku busurlistrik . •"

~,,: 'C

<:-, , ::'

~r. ··3c "11

Gambar 3. Pelet yang berasal dari skrap Zirkaloy-2.

3 Proses Casting

Peleburan paduan berbasis zirkonium dilakukan dengan arus 80 A, dengan pengalamanbahwa zirkonium dapat dilebur pada batas itu. Pertimbangan lain adalah penggunaan arusyang besar pad a jangka waktu relatif lama dapat menimbulkan overheat pada catu daya.Jika pada keadaan overheat pemakaian alat tidak dihentikan maka kemungkinan dapatterjadi kerusakan pad a ala1.

508

ISSN 0854 - 5561 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009

Gambar 4a. Proses peleburan skrap Zirkonium

Tungku busur listrik dinyalakan dengan cara menyentuhkan ujung elektroda pada sam pellalu segera menariknya saat loncatan busur listrik itu terjadi (Gambar-4a). Langkah-Iangkahproses casting menggunakan tungku busur listrik adalah dengan tahapan sebagai berikut:1. Arus pada catu daya disetel sebesar 80 A.2. Posisi elektroda diatur agar dekat dengan sampel, lalu ditahan pada posisi tersebut.3. Pedal diinjak (untuk menghubungkan arus), kemudian sentuhkan elektroda pad a sampel

untuk memulai arc. Panjang arc diubah sesuai keinginan dengan mengatur jarak antaraelektroda dengan sam pel.

4. Elektroda diarahkan pad a sam pel sampai seluruh bagian sam pel melebur; pedaldilepaskan untuk menghentikan arus.

5. Elektroda dan sam pel dibiarkan agar menjadi dingin, kemudian setelah dingin sam peldikeluarkan dari tungku peleburan.

Ingot zirkonium seperti pad a Gambar 4b yang selesai dilebur tersebut dapat disimpan untuksementara waktu atau dimanfaatkan sebagai bahan utama pada litbang pembuatan bahanstruktur berbasis zirkonium.

Gambar 4b. Ingot Zr hasil peleburan skrap Zirkaloy-2

4 Uji Mekanik

Ingot hasil peleburan skrap Zirkaloy-2 selanjutnya diuji secara mekanik. Aplikasi uji mekanikyang dilakukan adalah dalam skala mikro. Ingot Zr perlu diketahui kekerasan mikronya untukmemastikan kondisi awal sebelum melakukan perlakuan lebih lanjut.

509

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 ISSN 0854 - 5561

Pad a percobaan uji mekanik digunakan alat model Leitz Micro Hardness. Alat pengujikekerasan memakai indentor berbentuk piramid ini dapat membuat jejakan pad a materialdengan sejumlah pembebanan tertentu. Masa penjejakan berlangsung 30 detik danmenghasilkan lubang jejakan berbentuk diagonal. Panjang diagonal jejakan yang diukurpada arah horisontal dan vertikal dihitung sebagai diagonal rata-rata. Nilai kekerasanmaterial uji dicari pada tabel yang tersedia dengan memproyeksikan diagonal rata-rata sertabobot beban yang digunakan.

5 Karakterisasi MetalografiPemilihan area pada sam pel merupakan langkah pertama yang cukup penting untuk

penyiapan analisis metalografi mengingat bahwa cuplikan merupakan gambaran yangsebenarnya dari material! bahan yang akan dianalisis. Pad a karakterisasi metalografi ini areayang dipilih adalah bagian bawah dan tengah sam pel. Untuk pengambilan area bawah yaitudengan menggerinda sam pel ingot Zr hingga diperoleh permukaan yang rata dan secaravisual tidak menampilkan cacat ! kropos. Sedang pengambilan area tengah dilakukandengan membelah sam pel ingot Zr tersebut.

Karakterisasi metalografi ingot Zr diawali dengan preparasi sam pel yang padaumumnya terdiri dari beberapa tahap seperti : cutting (pemotongan), mounting (penanaman),grinding (pengasahan kasar), polishing (pengasahan halus) dan etching (etsa). Larutan etsayang digunakan merupakan formula bahan kimia yang terdiri dari : 45 ml HN03 70% + 15 mLH202 + 7 mL HF 40% + 45 mLGlicerol + 45 mL H20.

Ingot Zr yang telah di preparasi metalografi selanjutnya di amati dibawah mikroskopoptik dan dilakukan pengambilan gambar area mikrostruktur.

HASIL KEGIATAN DAN PEMBAHASAN

Kekerasan merupakan ukuran ketahanan material terhadap deformasi tekan.Deformasi yang terjadi dapat berupa kombinasi perilaku elastis dan plastis. Pada permukaandari dua komponen yang saling bersinggungan dan bergerak satu terhadap lainnya akanterjadi deformasi elastis maupun plastis. Deformasi elastis kemungkinan terjadi pad apermukaan yang keras, sedangkan deformasi plastis terjadi pada permukaan yang lebih lunak.Pengaruh deformasi bergantung pad a kekerasan permukaan material. Berdasarkan pengujianterhadap tiga sam pel ingot Zr yang telah dilakukan, diperoleh data kekerasan seperti padaTabel1.

Tabel1. Data uji berdasarkan identasi pada sam pel ingot zirkaloy-2

Kode d1d2drerataKekerasanKekerasanSam pel

HVNHVN rata-rataA

3431,832,917133,2

34,433,8162171,6632,5

31,331,9182

B

313332 18128,2

33,230,7197194,6628

3230 206

C

27,832,630,220329

31,430,2203210,3327,8

29,628,7225

Pengulangan peleburan dilakukan secara bervariasi, yaitu 1x untuk sam pel A; 2x untuksam pel B dan 3 kali untuk sam pel C. Berdasarkan uji mekanik yang dalam hal ini dilakukan denganmenggunakan alat Microhardness tester diperoleh data seperti pada Tabel 1. Perbedaan kekerasannampaknya dipengaruhi oleh pengulangan peleburan dim ana makin banyak pengulangan dilakukanmaka diperoleh nilai kekerasan mikro yang relatif lebih tinggi dari pada peleburan yang hanyadilakukan sekali saja. Hal tersebut kiranya dapat dimaklumi karena terdapat kemungkinan bahwa

510

ISSN 0854 - 5561 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009

peleburan tanpa pengulangan menghasilkan ingot Zr dengan porositas relatif lebih banyakdibandingkan peleburan dengan 3x pengulangan. Jika jumlah porositas pad a permukaan materialrelatif banyak maka kekerasan mikro menjadi rendah, demikian sebaliknya. Foto hasil karakterisasimetalografi seperti pad a Gambar 5a sampai 7b tidak menunjukkan perbedaan yang signifikankarena memang perlakuan terhadap sam pel tersebut semuanya sama.

Gambar 5a. Sampel A, penampang bawah Gambar 5b. Sampel A, penampang tengah

Ingot Zr yang dilebur hanya satu kali (sam pel A) seperti pada Gambar 5a dan 5b memang belummenampakkan batas butir yang jelas karena proses casting belum dilanjutkan dengan treatment anilmaupun solidifikasi pada variabel tertentu.

Gambar 6a. Sam pel B, penampang bawah Gambar 6b. Sam pel B, penampang tengah

Oemikian pula halnya dengan sam pel B pada Gambar 6a dan 6b, belum menunjukkan butir yangjelas. Pertumbuhan butir awal hanya tampak dalam fasa dendritik. Namun demikian keadaankekerasannya lebih tinggi dari pada sam pel A, yaitu 194,66 HVN.

511

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009

Gambar 7a. Sam pel C, pen am pang bawah

ISSN 0854 - 5561

Gambar 7b Sam pel C, penampang tengah

Keadaan yang lebih baik terdapat pada sampel C seperti Gambar 7a dan 7b. Akibatpengulangan peleburan yang menggunakan Centorr Furnace (Arc Furnace) porositasnya menjadilebih rendah dibandingkan dengan sam pel A dan B.

Ternyata porositas dapat dikurangi dengan memperbanyak pengulangan peleburan.Pengulangan peleburan membantu terjadinya homogenitas yang lebih baik pad a ingot Zr sam pel C.Pada uji mekanik tersebut diperoleh kekerasan ingot skrap Zr-2 rata-rata = 192,23 HVN.

KESIMPULAN

Kegiatan daur ulang skrap Zirkaloy-2 telah dilaksanakan dengan metode casting (peleburan)menggunakan Centorr Furnace dan masih perlu dilanjutkan lagi dengan menyempurnakan teknikpencucian skrap dan pekerjaan kompaksi guna mengurangi banyak asap pad a saat proses casting.Berdasarkan gambaran morfologi mikrostruktur dari sejumlah foto diketahui bahwa pembentukanbutir belum merata dan material mengandung porositas cukup banyak terutama pada sample ingotZr tanpa pengulangan peleburan (171,66 HVN). Sebagian butir hanya nampak pada bagian tepi darispesimen, sedangkan dibagian tengah memperlihatkan fasa dendrit. .Berdasarkan uji mekanikdiketahui bahwa kekerasan mikrostruktur ingot Zr terbaik adalah yang mengalami tiga kalipengulangan peleburan (210.33 HVN). Pengulangan peleburan membantu terjadinya homogenitasyang lebih baik. Pada uji mekanik tersebut diperoleh kekerasan ingot Zr-2 rata-rata = 192,23 HVN.

DAFT AR PUST AKA

[1] RE SMALLMAN, 1991, Metalurgi Fisik Modern, Edisi IV, PT. Gramedia Jakarta[2] WD. ALEXANDER dkk, 1991, Dasar Metalurgi untuk Rekayasawan, PT. Gramedia Pustaka

Utama

[3] SUGONDO, 2005 Peranan Pemadu Sn, Fe, Cr, Nb, dan Mo dalam Zirkaloi, Buletin Daur BahanBakar Nuklir Urania, No. 41/Thn. XI/2005

[4] ANONIM, Equipment Installation, Operation, and Maintenance Manual Single Are, CentorrVacuum Industries,USA

512