PENGARUH PERU BAHAN KANDUNGAN Si …Selanjutnya dilakukan pengamatan mikrostruktur dengan mikroskop...

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





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


Gambar-3 : Zr murni 2 ,dipanaskan suhu

600°C ,selama 4 jam


8000e ,selama 4 jam

Gambar-5 : Zr murni 4, dipanaskan suhu

4000e ,selama 6 jam




Gambar-7: Zr mUiili 6 ,dipanaskan suhu


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


Gambar-11 : A3( Zr-Nb-O,1 %b/bSi),dipanaskan


ISSN 0854 - 5561

Gambar-12 : A4 ( Zr-Nb-, 1%b/bSi),dipanaskan


Gambar-13 : A5 ( Zr-Nb-,1 %b/bSi),dipanaskan


Gambar-14 : A6 ( Zr-Nb··, 1%b/bSi),dipanaskan


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




Hasil-hasil Penelitian E8N Tahun 2005


suhu 800 DC,selama 4 jam

Gambar-19 : 84 ( Zr-Nb-,2%b/bSi),dipanaskan


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


Gambar-22 : CO ( Zr-Nb-O,25%b/bSi),tanpa

pemanasan

Gambar-23 : C1 (Zr-Nb-25%b/bSi),dipanaskan


ISSN 0854 - 5561

Gambar-24 : C2 ( Zr-Nb-25%b/bSi),dipanaskan






101






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


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



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



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


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

PENGARUH PERU BAHAN KANDUNGAN Si …Selanjutnya dilakukan pengamatan mikrostruktur dengan mikroskop...

Documents

Transcript of PENGARUH PERU BAHAN KANDUNGAN Si …Selanjutnya dilakukan pengamatan mikrostruktur dengan mikroskop...