pengaruh peru bahan kandungan si …selanjutnya dilakukan pengamatan mikrostruktur dengan mikroskop...
TRANSCRIPT
Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2005 ISSN 0854 - 5561
PENGARUH PERUBAHAN KANDUNGAN Si TERHADAPMIKROSTRUKTUR DAN KEKERASAN
INGOT PADUAN Zr-Nb-Si
Heri Hardiyanti, Futichah, Djoko Kisworo, Yatno Dwi A, Isfandi
ABSTRAK
PENGARUH PERUBAHAN KANDUNGAN Si TERHADAP MIKROSTRUKTUR DAN
KEKERASAN INGOT PADUAN Zr-Nb-Si. Logam paduan zirkonium (Zr-Nb-Si) digunakan
sebagai material kelongsong elemen bakar reaktor daya jenis LWR (Light Water
Reactors) dan HWR (Heavy Water Reactors). Logam paduan tersebut dibuat dengan
cara menambahkan unsur pemadu tertentu ke dalam zirkonium, dilebur dalam tungku
peleburan vakum sehingga diperoleh ingot. Unsur pemadu tersebut antara lain Niobium
(Nb) dan Silikon (Si). Berdasarkan kajian pustaka terhadap logam paduan Zr-Si diketahui
bahwa penambahan Si antara 0,015%b/b sampai dengan 0,3%b/b ke dalam logam induk
Zirkonium akan menghasilkan kekuatan tarik, kekerasan dan ketahanan korosi yang
tinggi. Pad a penelitian ini akan dilihat pengaruh perubahan kandungan Si terhadap
mikrostruktur dan kekerasan ingot paduan Zr-Nb-Si dengan variasi Si 0,1 %b/b;0,2%b/b
dan 0,25 %b/b. Ingot paduan Zr-Nb-Si dengan variasi Si 0,1 %b/b; 0,2%b/b; O,25%b/b
dipotong menjadi 18 buah ditambah sampel untuk blanko 10 buah. Hasil pemotongan
kemudian dilakukan proses anil dengan suhu 400oe, 6000e dan 8000e dengan waktu
penahanan 4 jam dan 6 jam.Hasil anil kemudian di mounting,digerinda ,dipoles dan
dietsa. Selanjutnya dilakukan pengamatan mikrostruktur dengan mikroskop optik dan uji
kekerasan dengan mikro vickers hardness. Hasil dari penambahan dengan perbedaan
prosentase paduan Zr-Nb-Si dengan variasi Si 0,1%b/b; 0,2%b/b; 0,25%b/b yang dianil
pada suhu 400 DC, 600 °e, 800 °e dan ditahan selama 4 jam dan 6 jam dapat ditarik
kesimpulan bahwa, penambahan Si dalam paduan dapat memperkecil butir dan
meningkatkan kekerasan. Kekerasan meningkat sampai 235,33 HVN pada saatKomposis Si HVN pafa saat komposisi Si 0,1%b/b.
PENDAHULUAN
Logam Paduan Zirkonium (zirkaloi)
digunakan sebagai material kelongsong
elemen .bakar reaktor daya jenis LWR(Light
Water Reactors) dan HWR(Heavy Water
Reactorsp>.
Alasan pemakaian bahan tersebut didasarkan
atas sifat fisis dan mekanik yang
dimilikinya,yaitu:
1. Tampang lintang serapan netron rendah(1)
2. Kekuatan mekanis stabil pad a tekanan dan
temperatur tinggi
3. Tahan korosi pada temperatur dan tekanan
tinggi( <400°C)
4. Tahan terhadap kerusakan akibat radiasi
5. Mudah dikerjakan dan difabrikasi
94
Logam paduan zirkonium tersebut dibuat
dengan cara menambahkan unsur pemadu
dengan prosentase tertentu ke dalam
zirkonium,dilebur dalam tungku peleburan
vakum sehingga diperoleh ingot.Unsur pemadutersebut antara lain Niobium(Nb) dan Silikon
(Si).Teknologi proses pembuatan logam
paduan zirkonium terus dikembangkan dalam
upaya untuk meningkatkan sifat mekanik dan
ketahanan korosi dalam air/uap air.
Untuk menunjang maksud tersebut
para peneliti di negara-negara maju telah
membuat logam paduan berbasis zirkonium
dengan berbagai variasi komposisi unsur
unsur pemadu.Penambahan unsur niobium
dalam paduan dapat meningkatkan kekuatan
ISSN 0854 - 5561 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2005
paduan dan ketahanan korosi dalam air dan
uap air pada suhu tinggi.
Berdasarkan kajian pustaka terhadap
logam paduan Zr-Si diketahui bahwa
penambahan Si antara 0,015%b/b sampai
0,3%b/b ke dalam logam induk zirconium akan
-menghasilkan kekuatan tarik,kekerasan dan
ketahanan korosi yang tinggi(2).Pada penelitian
ini akan dilihat pengaruh perubahan
kandungan Si terhadap mikrostruktur dan
kekerasan ingot paduan Zr-Nb-Si denganvariasi Si 0,1 %b/b; 0,2%b/b dan 0,25 %b/b.
TEORI
Bahan Zirkonium
Zirkonium memiliki tampang lintang
serapan netron termal yang rendah yaitu 0,180
barn, titik lebur tinggi (1850 DC), kekuatan
mekanik tinggi pad a suhu tinggi,daya tahan
korosi terhadap air dan uap air serta
keberadaan dan kelimpahan dialam cukup
besar. Hal ini memberikan peluang bagi
zirkonium untuk digunakan sebagai
kelongsong elemen bakar dan bahan struktur
pad a reaktor air ringan ( LWR ) atau air
berat (HWR). Biasanya zirkonium yang
digunakan ini dipadu dengan unsur lain
sehingga memberikan sifat-sifat yang lebih
baik seperti yang diinginkan (3)
Zirkonium memiliki tampang lintang
serapan netron yang rendah seperti terlihat
pad a tabel berikut : (4)
Tabel. 1 Tampang lintang serapan retron
termal beberapa unsur (4)I •
Tampang hntang
Bahan I serapan netron termalbarn
Tabel 2 Konsentrasi pemadu Nb yang
diproduksi secara komersial disesuaikan
dengan suhu operasi reaktor : (2)Suhu C Penambahan Nb (%b/b)
350
0.2400
0.5500
1.0
2.7
3.1
3.77
4.8
4.98
5.8
Molibdenum
Kromium
Tembaga
Nikel
Vanadium
Titanium
Bahan yang dipakai dalam reaktor mengalami
radiasi netron termal & dapat mengalami
kerusakan. Zirkaloi mempunyai kekuatan
mekanis yang relatif stabil terhadap radiasi
netron serta tahan terhadap korosi dalam air
suhu tinggi ( 400°C ). Berdasarkan sifat-sifat
diatas, zirkaloi memiliki nilai lebih untuk
diaplikasikan sebagai kelongsong bahan bakar
nuklir reaktor daya.
Penambahan sampai dengan 5%b/b Nb pada
paduan Zr yang dianil pada daerah a, akan
meningkat ketahanannya terhadap oksidasi
dalam uap pada suhu 400°C dan
480°C.Banyak juga literatur-- yang mengin
formasikan pengaruh yang menguntungkandari penganilan di daerah a terhadap ketahan-
Pengaruh NbPenambahan niobium dapat mening
katkan kekuatan paduan korosi dalam air dan
uap air pad a suhu tinggi .Sistem campuran Zr
Nb mempunyai 3 daerah ketahanan korosi
berkaitan dengan oksigen dari dalam uap pada
suhu 400°C. Daerah pertama pad a komposisi0.5%b/b-2%b/b Nb, daerah kedua 20%b/b
30%b/b Nb dan daerah ketiga pada komposisi
80%b/b-90%b/b Nb. Telah ditetapkan bahwa
jumlah niobium yang harus ditambahkan ke
campuran supaya ketahanan korosinya me
ningkat dan tergantung pad a suhu operasi
reaktor, seperti tercantum pada tabel 2 berikut:(2)
0.0034
0.010
0.063
0.013
0.180
0.230
1.15
1.26
2.53
Karbon
Berilium
MagnesiumSilikon
Zirkonium
Alumonium
Niobium
Tritium
Besi
95
Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2005
an korosi paduan Zr-Nb (sampai dengan5%b/b Nb).(2,6.7)
Pada diagram fase Zr-Nb, dapat dilihat bahwadengan penambahan konsentrasi Nb 1.5%b/b
maka pemanasan sampai suhu 800°C terjadi
padatan dengan 2 fase yaitu a Zr dan (r3zr.Nb).
Pengaruh Silikon
Silikon dapat ditambahkan pad a
paduan Zr dalam jumlah agak banyak tanpamengurangi sifat ekonomi netron termal.
Dalam jumlah kecil Si meningkatkan
ketahanan korosi pada sistem paduan biner (
Zr dan Si ). Penambahan Si yang lebih besar
terhadap paduan akan mengakibatkan
kerusakan korosi lebih cepat (2)
,4~ ~t J<'~#.jf'H~,,;.:< ~;U'*t4! •• ~.•
~,
L
~";~ -E -1~:1..
Gambar 1. Diagram fase Zr-Nb (5)
Di. USA dipatenkan pendapat bahwa
paduan Zr yang mengandung 0.015%b/b 0.3%b/b Si, disini Si akan terdistribusi secara
merata sebagai impurities yang menutup
seluruh permukaan butir dan meningkatkan
ketahanan korosi selama pendinginan perla
han-Iahan dalam areal (a+r3).Paduan Zr-Si
mempunyai diagram fase yang komplek, dan
jika kandungan Si tinggi paduan sulit untuk
dilakukan proses pengerjaan. (2)
Pada diagram fase Zr-Si dapat dilihat
bahwa dengan penambahan konsentrasi Si
0.1 %b/b-0.25%b/b pemanasan sampai 800° C
96
ISSN 0854 - 5561
akan terjadi fase aZr,Si ( Si tidak membentuk
fase kedua dengan Zr ).
S1-Zr
~!'jf.14 '''H«~:;",f~-J~~~..; ;It: n +;- 1t "' ~ M ,~~.
1!t/Ir'....
dkl
.1->.•" r-.,Nj1
~y,lX :£ .u !d ~ ~
J:fkl"t f-(''rt'.~'1-:!J..n~miJ.I
Gambar 2. Diagram fase Zr-Si (5)
TATA KERJA
Peralatan:
1. Alat pemotong
2. Tungku Anil
3. Metalografi
4. Mikroskop Optik5. Mikro Vickers Hardness
Penyiapan Sam pel
Ingot paduan Zr-Nb-O,1 %b/bSi, Zr-Nb
O,2%b/bSi, dan Zr-Nb-O,25%b/bSi dipotong
menjadi 18 buah,ditambah dengan sampel
untuk blanko 10 buah.Dengan kode sampelsbb:
A : Zr-Nb-O,1 %b/bSi ; B : Zr-Nb-O,2%b/bSi ; C :Zr-Nb-O,25%b/bSi ; Zr murni
Blanko : AO,BO,CO,Zr murni
Suhu 400°C,waktu 4jam: A1,B1,C1,Zr murni1
Suhu 600°C,waktu 4jam : A2,B2,C2,Zr murni2
Suhu 800°C,waktu 4jam : A3,B3,C3,Zr murni3
Suhu 400°C,waktu 6jam: A4,B4,C4,Zr murni4
Suhu 600°C,waktu 6jam: A5,B5,C5,Zr murni5
Suhu 800°C,waktu 6jam : A6,B6,C6,Zr murni6
ISSN 0854 - 5561
Cara Kerja:
Ingot paduan Zr-Nb-Si dengan variasi Si
0,1 %b/b ; O,2%b/b ;O,25%b/b dipotong menjadi
18 buah ditambah sampel untuk blanko 10
buah.Hasil pemotongan kemudian dilakukan
proses anil dengan suhu 400oe,600oe dan
8000e dengan waktu penahanan 4 jam dan 6
jam.Hasii anil kemudian di mounting,digerinda
,dipoles dan dietsa .Selanjutnya dilakukan
pengamatan mikrostruktur dengan mikroskop
optik dan uji kekerasan dengan mikro vickershardness.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil gambar mikrostruktur dengan
perbesaran 400 X
Gambar-1 : Zr murni,tanpa pemanasan
Gambar-2 : Zr murni 1,dipanaskan suhu
4000e ,selama 4 jam
97
Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2005
Gambar-3 : Zr murni 2 ,dipanaskan suhu
600°C ,selama 4 jam
Gambar-4 : Zr murni 3,dipanaskan suhu
8000e ,selama 4 jam
Gambar-5 : Zr murni 4, dipanaskan suhu
4000e ,selama 6 jam
Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2005
Gambar-6 : Zr murni 5,dipanaskan suhu
600°C ,selama 6 jam
Gambar-7: Zr mUiili 6 ,dipanaskan suhu
800°C ,selama 6 jam
Gambar-8 : AO(Zr-Nb-O,1 %b/bSi) tanpaPemanasan
98
ISSN 0854 - 5561
Gambar-9 : A 1( Zr-Nb-O,1 %b/bSi),dipanaskan
suhu 400°C ,selama 4 jam
Gambar-10: A2( Zr-Nb-O,1 %b/bSi),dipanaskan
suhu 600°C ,selama 4 jam
Gambar-11 : A3( Zr-Nb-O,1 %b/bSi),dipanaskan
suhu 800°C ,selama 4 jam
ISSN 0854 - 5561
Gambar-12 : A4 ( Zr-Nb-, 1%b/bSi),dipanaskan
suhu 400°C ,selama 6 jam
Gambar-13 : A5 ( Zr-Nb-,1 %b/bSi),dipanaskan
suhu 600°C ,selama 6 jam
Gambar-14 : A6 ( Zr-Nb··, 1%b/bSi),dipanaskan
suhu 800°C ,selama 6 jam
99
Hasil-hasil Penelitian E8N Tahun 2005
Gambar-15: 80 (Zr-Nb-0,2%b/bSi),tanpaPemanasan
Gambar-16: 81 (Zr-Nb-,2%b/bSi),dipanaskan
suhu 400°C ,selama 4 jam
Gambar-17: 82 (Zr-Nb-,2%b/bSi),dipanaskan
suhu 600°C ,selama 4 jam
Hasil-hasil Penelitian E8N Tahun 2005
Gambar-18: 83 (Zr-Nb-,2%b/bSi),dipanaskan
suhu 800 DC,selama 4 jam
Gambar-19 : 84 ( Zr-Nb-,2%b/bSi),dipanaskan
suhu 400 DC,selama 6 jam
Gambar-20 : 85 ( Zr-Nb-%b/bSi),dipanaskan
suhu 600 DC ,selama 6 jam
100
ISSN 0854 - 5561
Gambar-21 : 86 ( Zr-Nb-,2%b/bSi),dipanaskan
suhu 800 DC,selama 6 jam
Gambar-22 : CO ( Zr-Nb-O,25%b/bSi),tanpa
pemanasan
Gambar-23 : C1 (Zr-Nb-25%b/bSi),dipanaskan
suhu 400 DC ,selama 4 jam
ISSN 0854 - 5561
Gambar-24 : C2 ( Zr-Nb-25%b/bSi),dipanaskan
suhu 600 DC,selama 4 jam
Gambar-25 : C3 ( Zr-Nb-25%b/bSi),dipanaskan
suhu 800 DC,selama 4 jam
Gambar-26 : C4 ( Zr-Nb-25%b/bSi),dipanaskan
suhu 400 DC,selama 6 jam
101
Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2005
Gambar-27 : C5 ( Zr-Nb-25%b/bSi),dipanaskan
suhu 600 DC,selama 6 jam
Gambar-28 : C6 ( Zr-Nb-25%b/bSi),dipanaskan
suhu 800 DC ,selama 6 jam
HASIL UJI KEKERASAN
Grafik Kekerasan Vs Suhu
250
200
_umumi_u-f\b.O,1%Si
_ u-f\b.O,2%Si
_ u-f\b.O, 25%Si
oo 100 200 300 400 500 600 700 600 9:X)
Suhu( oC)
Grafik1.Kekerasan vs Suhu
Hasil-hasil Penelitian E8N Tahun 2005 ISSN 0854 - 5561
Grafik Kekerasan Vs waktu
Paduan Zr-Nb-O,1%b/bSi
Paduan Zr-Nb-0,1 %b/bSi yang dipanaskan
pad a suhu 400oe, 600 °e dan 800 °e dengan
waktu penahanan 4 jam dan 6 jam mempunyai
struktur mikro yg terlihat pada gambar 8
sampai gambar 14. Dimana untuk gambar A1
- A6 belum kelihatan pertumbuhan batas butir
nya ,jadi masih berbentuk sub grain.
Kemungkinan ini terjadi karena kurangnya
preparasi sampel saat metalografi dan
etsa.Sebelum paduan Zr-Nb-0,1 %b/b Si
dipanaskan kekerasannya 210,0 HVN. Setelahdipanaskan kekerasannya naik dari 231,33
HVN suhu 4000e menjadi 235,33 HVN pada
suhu 800 °e, dengan waktu penahanan yang
PEMBAHASAN
Zirkonium murni
Zirkonium murni yang dipanaskan
pad a suhu 400oe,600 °e dan 800 °e dengan
waktu penahanan 4 jam dan 6 jam mempunyai
struktur mikro yg terlihat pad a gambar 1
sampai gambar 7. Dimana Zr murni1,Zr
murni2,Zr murni 4 dan Zr murni 5 mempunyai
bentuk mikrostruktur seperti plat, sedangkan
untuk Zr murni 3 mempunyai ukuran butir
yang jelas dan pad a Zr murni 6 ukuran butirnya
makin besar. Sebelum dipanasi kekerasannya
169,0 HVN. Setelah dipanasi kekerasannya
turun seiring dengan kenaikan temperatur dari
suhu 4000e kekerasan 174,33 HVN menjadi
151,67 HVN pada suhu 8000e,dengan waktu
penahanan yang makin lama dari 4jam
kekerasannya164,33 HVN turun menjadi
151,67 HVN pada 6 jam.
250
~ 200~
~ 150 1 ---:! 100~ I
~ 5: j I I--.------r-----012345678
WakluOam)
Grafik2.Kekerasan vs Waktu
E'Zr mum; l__ Zr-Nb-0.1%Si
__ Zr-Nb-0.2% Si
__ Zr-Nb-0.25%Sil
102
makin lama dari 4 jam menjadi 235,33 HVN
dan mengalami penurunan pada waktu
penahanan 6 jam menjadi 218,67 HVN.
Paduan Zr-Nb-O,2%b/b Si
Paduan Zr-Nb-0,2%b/b Si yang dipanaskan
pada suhu 400oe, 600 °e dan 800 °e dengan
waktu penahanan 4 jam dan 6 jam mempunyai
struktur mikro yg terlihat pada gambar 15
sampai gambar21. Dimana untuk gambar 81
86 ga:nbar struktur mikronya mempunyai
bentuk seperti anyaman yang halus. Sebelum
dipanasi kekerasannya 199,67 HVN.Setelah
dipanasi kekerasannya turun seiring dengan
kenaikan temperatur dari suhu 4000e
kekerasan 207,67 HVN menjadi 201,67 HVN
pad a suhu 800 °e, dengan waktu penahanan
yang makin lama dari 4 jam kekerasannya
225,67 HVN turun menjadi 211,0 HVN pada 6
jam.
Paduan Zr-Nb-O,25%b/b Si
Paduan Zr-Nb-0,25%b/b Si yang dipanaskan
pada suhu 400oe,600 °e dan 800 °e dengan
waktu penahanan 4 jam dan 6 jam mempunyai
struktur mikro yg terlihat pada gambar 22
sampai gambar 28. Dimana untuk gambar
e1,e3 dan e6 gambar struktur mikronya
mempunyai bentuk seperti anyaman yang
halus ,sedangkan pada e2 dan e6 tidak begitu
terlihat bentuk anyaman. Sebelum dipanasi
kekerasannya 176.67 HVN. Setelah dipanasi
kekerasannya naik seiring dengan kenaikan
temperatur dari suhu 4000e kekerasan 170,67
HVN menjadi 191,67 HVN pada suhu 800 °e,
dengan waktu penahanan yang makin lama
dari 4 jam kekerasannya 206,0 HVN turun
menjadi 172,67 HVN pada 6 jam.
KESIMPULAN
Dari hasil penelitian pembuatan paduan Zr-Nb
Si dengan variasi Si 0,1 %b/b; 0,2%b/b;
0,25%b/b yang dianil pada suhu 400 °e, 600
°e, 8000e dan ditahan selama 4 jam dan 6 jam
dapat ditarik kesimpulan bahwa, penambahanSi dalam paduan dapat meningkatkan
kekerasan. Kekerasan meningkat sampai
235,33 HVN pada saat komposisi Si 0,1 %b/b.
ISSN 0854 - 5561
SARAN
Untuk hasil gambar mikrostruktur yang lebih
baik dan kelihatan batas butirnya dalam
preparasi metalografi dan etsa harus lebih baik
dan teliti,juga dalam perbesaran mikrostruktur
masih kurang jadi tidak terlihat batas butirnya.
- Pada waktu melakukan uji kekerasan baru
dilakukan 3 kali perlakuan untuk 1 sampel,jadi
hasilnya kurang maksimal. Untuk
mendapatkan hasil yang lebih baik dan teliti
perlu dilakukan lagi uji kekerasan paling tidak 5
kali perlakuan untuk satu sampel.
DAFTAR PUSTAKA
1. SIGIT, WIDJAKSANA, MUCH LIS.
B,R.A.SURYANA,"Analisis Fenomena
Proses Pengompakan Serbuk Zircaloy
4",Prosiding Pertemuan dan PresentasiIImiah,PPNY-BATAN,Buku II,ISSN 0216
3128,Yogyakarta,ApriI1995,haI125-130.2. PARVENOV B.G., GERASIMOV V.v.,
IVENEDIKTOVA G., "Corrosion Zirconium
and Zirconium AI/oys ",Israel Program for
Scientific Translation Jerusalem,1969,page10,18-23.
103
Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2005
3. SIGIT, "Bahan Dukung dan Struktur",Diklat
Teknologi Industri Bahan Bakar
nuklir,Serpong,1 0-26 juli 1995,ha111.4. SUGONDO,MUCHLlS.B,"Otimasi
Karakteristik Ketahanan Korosi Zirkaloi
melalui variabel pemadu",Seminar
FTUI,PEBN-BATAN,4-7 Agustus 1998,hal 3-4.
5. THADEUS B.MASSAKI,HIROAKI
OKAMATO,P.RSUBRAMANIAN, LINDA
KACPZAK,"Binary AI/oy Phase Diagrams",ASM International Second Edition,Vol 2-3.
6. DALGAARD,S.B,"lbid" ,hal159
7. ELLS,C.E.et al,"Prosedings of the ThirdUN International Conference on the
Peaceful Uses of Atomic Energy",Geneva,1964