Prosiding Pertemuan 1/miah Sains Materi /SSN /4/0-2897

PERUBAHAN BENTUK STRUKTUR MIKRO LOGAM P ADUANZIRKONIUM HASIL PELEBURAN P ADA BEBERAP A

r , r POLA PERLAKUAN PANAS11

~"

v 8aeful Hidayar, Tatang Mulyana2 dan Guntur 0.8.2

ABSTRAKPERUBAHAN BENTUK STRUKTUR MIKRO LOGAM PADUAN ZIRKONIUM BASIL PELEBURAN

PADA BEBERAPA POLA PERLAKUAN PANAS. Telah dilakukan proses perlakuan panas pada logam paduan zirkoniumhasil 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 besarbutir ASTM no.8 dan no.9. Bentuk pola perlakuan panas dibuat dengan mengatur laju kenaikan temperatur, besamyatemperatur pemanas.an, waktu pemanasan (holding time) dan laju penurunan temperatur. Bentuk struktur mikro bahan berubahpada setiap pola perlakuan panas yang dilakukan, dan bentuk struktur yang diinginkan dicapai pada kondisi perlakuan panasdengan laju kenaikan temperatur 400"C/jam, temperatur pemanasan 1200"C, waktu pemanasan 9 jam, dan laju pendinginan

50"C/jam.

ABSTRACTTHE CHANGING OF THE MICROSTRUCTURE OF THE MELTING RESULT ZIRCONIUM ALLOY

IN SEVERAL PATTERNS OF HEAT TREATMENTS The heat treatment process of smelting result Zirconium alloy hasbeen done on five patterns heat treatment. The heat treatment is done to change the microstnlcture shape alloy that consist ofDendritic and Basketweave stnlctures, to become a equiaxial grain shape stnlcture with grain size ASTM no.8 and no.9. Thepattern of the heat treatment is made by settling up slope temperature, heating temperature, holding time and down slopetemperature. The shape of the microstnlcture alloy changes on every pattern heat treatment has been done, and themicrostructure shape can be achieved by the heat treatment rate of 400oC/hour, at 1200oC with heating temperature of 9 hoursand the cooling rate of 50°C /hour.

KEY WORDMicrostructure, Zirkonium alloy, Heat treatment

PENDAHULUAN Ingot hasil proses peleburan biasanyamempunyai bentuk struktur yang kasar [I], danproses pendinginan yang terjadi dari logam cairmenjadi logam beku pada cetakan akanmempengaruhi bentuk struktur mikro bahan,Proses perlakuan panas pada bahan hasilpeleburan dengan pola-pola perlakuan panastertentu, dapat mengubah bentuk struktur mikrosesuai dengan yang diharapkan [I],

Penguasaan teknologi pembuatan danpengembangan logam-logam paduan untukstruktur Elemen Bakar Nuklir (EBN) perludilakukan, agar kita tidak bergantungsepenuhnya kepada negara lain dalam halpenyediaan bahan struktur EBN. Sampai saat ini,logam paduan yang masih dapat diandalkanuntuk bahan struktur EBN adalah paduanzirkonium. Salah satu paduan tersebut adalahZirkaloy-2, dimana paduan ini digunakan padareaktor dayajenis BWR (Boiling Water Reactor)[1,2]. Berdasarkan hal tersebut diatas, makasebagai penelitian tahap awal dibuat paduanzirkonium yang mengarah ketipe Zirkaloy-2.

Logam paduan Zirkaloy-2 sebagaistruktur EBN, mempunyai unsur dasarZirkonium dengan beberapa unsur pemadu,yaitu SN, Fe, Cr dan Ni, dengan spesifikasipersentase berat unsur pemadu seperti padatabel I. Zirkaloy-2 mempunyai strukturHexagonal rasa a dengan besar butir ASTMno.8 dan no.9 [3]. Bentuk struktur mikro logamZirkaloy-2 diperlihatkan pada gambar I.

Tabel Persentase berat unsur pemadu Zirkaloy-2berdasarkan spesifikasi [1].

Untuk mendapatkan bentuk struktur mikro bahanbasil peleburan sesuai dengan spesifikasi zirka-loy-2, daD untuk mengetahui perubahan yangterjadi pada bentuk struktur mikro bahan, makapada penelitian ini bahan basil peleburan dicobadilaku panas dengan beberapa pola perlakuanpanas.

I Dipresentasikan pada Pertemuan Ilmiah Sains Materi 19972 Pusat Penelitian Teknik Nuklir-BAT AN

14()

menggunakan tungku induksi dengan atmosfirtungku menggunakan gas Argon. Jumlah beratmasing-masing logam yang akan dipadu,ditimbang berdasarkan persentase berat maksimumdari spesiftkasi zirkaloy-2. Pemeriksaan strukturmikro dan pemeriksaan persentase berat unsurlogam-logam basil peleburan dilakukan sebelumproses perlakuan panas. Setelah data struktur mikrodaD data persen berat unsur diketahui, dilanjutkandengan proses perlakuan panas. Pola perlakuanpanas pada percobaan pertama didasarkan padaliteratur perlakuan panas untuk paduan zirkonium[I]. dengan solution treatment dimulai padatemperatur rasa 13. Pola-pola perlakuan panasselanjutnya didasarkan dari analisa bentuk strukturmikro yang dihasilkan dari pola perlakuan panaspertama, kedua dan selanjutnya, sampai didapatbentuk struktur yang diinginkan. Kondisi dari pola-pola perlakuan panas yang dilakukan, diperlihatkandalam bentuk tabel 2 berikut ini :

Dengan mencoba pola-pola perlakuan panastersebut, diharapkan dapat diketahui bentuk-bentukpola perlakuan panas yang cocok untuk mengubahstruktur mikro bahan basil peleburan, menjadibentuk struktur yang sesuai dengan yang

diinginkan

Tabel 2. Kondisi pola perlakuan panas.

Tempera-tur pema-nasan.

J~C)

WaktuPemanasan

SOl.'r~cPola

~S

78109

Lajupenurunantemperatur

(O~/~ )

Lajukenaikan

tempera-tur( °C/iam )Struktur mikro logam Zirkaloy-2Gambar 150

1251005050

9501050120012001200

400400400400400

234'5PERCOBAAN

Bahan Perlakuan panas dilakukan pada tungkutabung (tube furnace) yang dilengkapi denganregulator voltase untuk mengatur kenaikkan dan

penurunan temperatur pemanasan. Spesimen logamyang akan dilaku panas dimasukkan daIam tabungkuarsa yang diisi gas argon, untuk mencegahterjadinya proses oksidasi pada logam selamaproses perlakuan panas. Jumlah spesimen padasetiap kali percobaan berjumlah dua spesimen,sehingga jumlah spesimen keseluruhan berjumlahsepuluh spesimen. Pemeriksaan struktur mikrobahan basil peleburan maupun basil perlakuanpanas, dilakukan pada proses metalografi denganmenggunakan larutan etsa Kroll.

Bahan yang dipergunakan pada penelitianini terdiri dari :I. Sponge zirkonium.2. Logam Sn, Fe, Cr, dan Ni.3. Tabnng kuarsa4. Gas Argon kemumian tinggi.5. Bahan-bahan nntuk metalogJafi.

AI at

Peralatan yang dipergunakanpenelitian ini terdiri dari :

1. Tuogku lnduksi dan Tuogku Tabuog.

2. Peralatan pembuat gelas.3. Mikroskop optik4.XRF.

pacta

BASIL DAN PEMBAHASAN

Tata Kerja Paduan logam zirkooium basil peleburan.berdasarkan basil pemeriksaan meogunakan XRFmempunyai perseotase berat unsur paduan seperti

Pembuatan logam paduan zirkonimn padapenelitian ini, dilakukan melalui proses peleburan

141

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 pactagambar 1 dan 2.

Tabel 3: Persentase berat unsur paduan zirkonium basil

peleburan.

~SnFeCrNiZr

% berat1,400,200.090,04

sisanva

Gambar 3. Bentuk struktur Dendrit clanBasketweave pada logam paduanzirkonium basil peleburan sebelumdilaku panas, dengan pembesarnn yanglebih besar dibanding gambar 1

[5,6]. Transformasi pembentukan strukturBasketweave tersebut terjadi serupa dengaqtransformasi Martensitik

Bentuk struktur mikro logampaduan zirkonium basil peleburansebelum dilaku panas, terlihatadanya struktur Dendrit dan butir-butir a berbentuk jarum, yangmembentuk anyaman, disebutstruktur Basketweave

Gambar2

Bentuk struktur mikro logam paduanZirkonium basil peleburan yang telahdilaku panas dengan pola perlakuanpanas pertama.

Gambar 4.

Stmktur Dendr;! yang ada pada bahanhasil peleburan, berbentuk menyerupai cabangpohon. Terbentuknya struktur tersebut, terjadipada saat proses pembekuan, yang disebabkanadanya daerah beku yang lebar, yaitu perbedaantemperatur antara mulai dan berakhirnyapembekuan yang lebar [4J. Mekanismepertumbuhan struktur ini terjadi daTi kristal-kristalDendrit yang tumbuh dari inti-inti dan pada saatpembekuan berakhir, dendrit-dendrit tersebutsaling bertemu. Sedangkan struktur Basketweaveberbentuk menyerupai anyaman dari butir-butir a.yang berbentuk jarum .Struktur ini terbentukkarena pengaruh dari kecepatan pendinginan yangrelatif tinggi pada saat terjadinya transformasi rasa13 berstruktur BCC ke rasa a. berstruktur HCP

Pola perlakuan panas pertama dengankondisi yang tertera pada tabel 2, dicoba untukmengubah struktur mikro bahan basil peleburantersebut, menjadi struktur yang sesuai denganspesifikasi Zirkaloy-2. Dari basil perlakuan panastersebut didapat bentuk struktur rnikro yangdiperlihatkan pada gambar 4.

Dari gambar 4 tersebut terlihat, bahwaproses perlakuan panas dengan pola percobaanpertarna tidak banyak mengubah struktur awalbahan, karena masih memperlihatkan strukturDendrit dan Basketweave. Perubahan terjadi hanyap~d:i bentuk butir a. yang lebih kasar. Bentuk

142

/SSN /4/0-2897

perlakuantemperaturpendinginan.

panas ketiga dengan mengubahpemanasan dan menurunkan laju

struktur yang tidak banyak berubah tersebut ,diduga karena tingginya temperatur dan lamanyapemanasan masih kurang untuk dapat melarutkankristal-kristal pembentuk Dendrit .Selain itu, lajupenurunan temperatur masih terlalu cepat, sehinggabutir a yang terbentuk masih berbentuk plat-platmemanjang (lamellar) yang membentuk anyaman(Basketweave). Bentuk butir a yang lamellardisebabkan waktu pendinginan yang tidak cukupuntuk terjadinya proses difusi pada saatpembentukan butir.

Pada perlakuan panas selanjutnya, denganmencoba pola perlakuan panas krona, didapatbentuk struktur mikro yang diperlihatkan padagambar 5. Dari gambar tersebut terlihat, bahwapola perlakuan panas pada percobaan krona,menghasilkan banyak perubahan pada bentuksrtuktur mikro bahan awal hila dibandingkandengan perubahan struktur pada pola perlakuanpanas pertama. Perubahan tersebut terlihat dariberkurangnya struktur Dendrit. Struktur Dendrityang masih ada bentuknya sudah tidak begitu jelas,yaitu berbentuk hitam memanjang dengan cabangyang tidak jelas. Hal ini memperlihatkan adanyapenyatuan cabang-cabang Dendrit menjadi bentukyang memanjang pada saat proses pemanasan .Disamping itu bentuk butir a menjadi lebih besar.

Garnbar5 Bentuk s1ruktur mikro logam paduanZirkonium basil peleburnn yangmengalami perlakuan panas denganpola perlakuan pana." kedua.

Terbentuknya stmktur dengan butir <Xberbentuk batang dan masih adanya sedikitstruktur Dendrit, bila berdasarkan pada percobaanpertama dan kedua, diduga karena waktu dantingginya ternperatur pernanasan masih belurncukup, daD laju pendinginan masih terlalu cepat.Untuk rnendapatkan butir a yang equiaxial, daDrnenghilangkan struktur Dendrit, rnaka dicoba pola

Gambar 6 Bentuk struktur mikro logam paduanZirkonium hasill pelebWml yang telahdilaku dengan pola perlakuan panasketiga.

Pola perlakuan panas ketiga,rnenghasilkan stroktur rnikro dengan bentuk butir airregular, dan hilangnya struktur Dendrit. Bentukstmktur rnikro tersebut diperlihatkan pada garnbar6. Hilangnya struktur Dendrit, rnenunjukkan bahwaternperntur pemanasan sebesar 1200oC dapatrnelarutkan kristal-kristal pernbentuk Dendritsecara sernpurna, sedangkan terl>entuknya butir ayang irregular, diduga karena laju pendinginanrnasih terlalu cepat, sehingga waktu ang tersediauntuk terjadinya transfonnasi diffusi yangsernpurna belurn rnernenuhi, sehingga untukrnendapatkan butir a yang equiaxial, diperlukanpenurunan laju pendinginan pada percobaanperlakuan panas selanjutnya.Pola perlakuan panas keernpat rnenghasilkanbentuk struktur dengan butir a yang equiaxial,daD hilangnya struktur Dendrit. Bentuk strukturtersebut diperlihatkan pada gambar 7.Besar butir a pada bahan basil perlakuan panaspola keernpat, bila dibandingkan dengan spesifikasiZirkaloy-2 rnasih terlalu besar. Besarnya butirtersebut, diduga karena waktu pernanasannya(holding time) terlalu lama, sehingga denganwaktu tersebut rnernberi kesernpatan butir untukturnbuh lebih besar.

Untuk rnendapatkan besar butir yangsesuai dengan spesiftkasi Zirkaloy-2, makadilakukan perlakuan panas pola kelima denganrnengurnngi waktu pernanasan. Pola perlakuanpanas kelirna rnenghasiIkan struktur bahan denganbentuk butir a yang equiaxial, dan rnernpunyaibesa; butir ASTM no.9. Struktur tersebut sesuai

143

batang-batang plat yang makin membesar, danakhimya membentuk butir yang equiaxial.

dengan spesiftkasi stmktur mikro Zirkaloy-2.Bentuk stmktur mikro tersebut diperlihatkan padagambar 8.

Gambar 7 Bentuk struktur mikro logam paduanZirkonium basil peleburan yangtelah dilaku panas dengan polaperlakuan panas keempat Gambar 9 Diagram Fasa Zr-Sn

Berdasarkan percobaan-percobaan yangtelah dilakukan tersebut, menunjukkan bahwaproses solution treatment pada temperatur 950-1050oC pada daerah rasa /3 yang diperlihatkandaIam diagaram rasa Zr-Sn pada gambar 9, yangbiasa diIakukan untuk proses perlakuan panas,daIam melarutkan dan menghomogenkan unsurpemadu di daIam matrik /3, menjadi larutan padat/3, belum dapat melarutkan kristal -kristalpembentuk Dendrit. Sedangkan laju pendinginanuntuk proses transformasi rasa /3 ke rasa a., sangatberpengaruh pada bentuk butir a.. Makin tinggilaju pendinginan, butir a. akan berbentuk batang-batang jarum yang makin hains, dan apabila lajupendinginan diperendah, butir a. membentuk

KESIMPULAN

Bentuk struktur mikro logam paduanZirkonium basil peleburan, mengalami perubahanbentuk, pada percobaan perlakuan panas untuksetiap kondisi pola perlakuan panas yang dicoba.Kondisi pola perlakuan panas pada percobaankelima, yaitu pada laju kenaikan temperatursebesar 400°C/jam, dengan temperatur pemanasansebesar 1200oC, waktu pemanasan 9 jam dan lajupendinginan 50°C/jam, mengubah bentuk strukturawal bahan yang terdiri dari struktur Dendrit danBasketweave menjadi struktur dengan bentuk butirAlpha yang equiaxial, dan mempunyai besar butirASTM no. 9, sesuai dengan spesiftkasi strukturmikro logam Zirkaloy-2.

UCAPAN TERIMA KASm

Dana penelitian ini diperoleh darianggaran penelitian PPTN-BA TAN unhlk tahun1996/1997. dan terima kasih saya ucapkan unhlkpara Star dan teknisi lab. Metalurgi dan KimiaPPTN-BATAN. yang telah membantu jalannyapenelitian ini .

DAFTARPUSTAKA

Gambar 8 Bentuk stJ1lktur mikro logam paduanZirkonium basil peleburnn yang telahdilakukan dengan pola perlakuanpanas kelima .

[I] FIZZOlTl C., Principles of Nuclear FuelProduction, Vol. 2, Zirconium, Fuel CycleDepartment, ENEA, (1984).

[2] LAMARSH J. R., Introduction to NuclearEngineering, 2nd Edition, Addison-Wesley

144

Publishing Company Reading, Massachusetts,(1982).

[3) Zircalloy Fuel Element Canning Tubes.Mannesmannrohren-Werke, Germany, (1975).

[4) SURDIA T, CHIJIIWA K., Teknik PengecoranLogam, Association for InternationalTechnical 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 BetaHeat Treatment on Microstructure andNodular Corrosion of Zircaloy-4, Journal ofNuclear Science And Technology, Vol. 30,No.2, (1993).

145