p~ ~ N~ H~ ~ #.. ~ X Kt 2. 155N 1lt1D-"J6g6

PENGARUHPERLAKUANPANASTERHADAPKONSTANTA KISI DAN KERAPATAN ZIRKALOY-4

~3bBambang S I, Supardi I, Dani Gustaman S2,P .Purwanto

J Pusl itbang Iptek Bahan -BA TAN; Kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang

2Puslitbang TeknikNuklir-BATAN; Jl. Tamansari 71 Bandung

ABSTRAK

PENGARUH PERLAKUAN PANAS TERHADAP KONSTANTA KISI DAN KERAPATAN ZIRKALOY-4. Telah dilakukan pengujianpada zirkaloy-4, dengan mempergunakan difraksi sinar-x dan mikrsokop optik setelah dikenakan perlal,~uan panas pada temperatur 600, 700 dan900 OC selama 1, 5, dan 7 jam.Hasil yang diperoleh menunjukan , konstanta kisi zirkaloy-4 adalah st,lbil terhadap temperarur perlakuan panas.Kerapatannya juga stabil dengan hasil sebagai berikut: hasil rata-rata diperoleh 7,1479 g/cm3 (Zr4-TE,00), untuk Zr4-T700 adafah 7,2556 g/cm3,dan 7,0661 g/cm3 untuk Zr4-T900. Sebelum perlakuan panas kerapatannya 7,0936 g/cm3. Morfologi siruktur mikro zirkaloy-4 dilihat secara visualdengan mikroskop optik, mengalami perubahan pada besar butiran sesudah perlakuan panas.

ABSTRACT.INFLUENCE HEAT TREATMENT AGAINTS LATTICE CONSTANTA AND DENSITY OF ZIRCALLOY-4. To had been done to test

on the zircalloy-4, with using x ray diffraction and optics microscopy ,after to undergo heat treatment or'1 the temperature 600, 700 and 900 °C for1,5 and 7 hours. The result ,lattice constanta of zircalloy-4 was stable to againts heat treatment. Its densities stable and result as follow: 7.1479g/cm3 ( Zr4- T600 ), 7.2556 g/cm3 (Zr4- 1700), and 7,0661 g/cm3 (Zr4- T900 ).Before heat treatment was 7,0936 g/cm3 .Micro structure of zircaloy-4were take place to change on the grains.

PENDAHULUAN

Zirkaloy-4 adalah suatu paduan logam yangdigunakan sebagai kelongsong pada elemen bakarReaktor nuklir. Pemakaian logam zirkonium sebagaikelongsong telah disempumakan dengan menambahkanunsur Sn,Fe,Cr clan Ni kedalam logam zirkonium

menjadi padauan zirkaloy-2[ 1].Zirkaloy-4 mempunyai bentuk struktur kristal

heksagonal tumpukan pada (HCP) pada temperaturT<865 °C yang dikenal sebagai rasa-a .Sedangkan padatemperatur T>865 °c zirkaloy-4 mempunyai strukturkristal kubus pusat ruang (BCC) yang dikenal sebagaifasa-p [2]. Sedemikian sehingga perlakuan panas" yangdikenakan pada zirkaloy-4 akan merubah struktur mikroclan sifat mekanis paduan tersebut sebagai kelongsongbahan bakar nuklir [3].

Dalam penelitian ini akan dilakukan perlakuanpanas pada zirkaloy-4 pada temperatur 600, 700 clan 900°c clan lamanya pemanasan pada setiap temperatur yaitu1,5 , clan 7 jam. Setelah dikenakan perlakuan panasdilakuan pengujian dengan difraksi sinar-x (XRD).Dengan difraksi sinar-x ini akan ditentukan parameterkisi zirkaloy-4. Parameter kisi tersebut, selanjutnya

~,2SA:

dipergunakan untuk menghitung kerapatan zirkaloy-4.Dari kerapatan zirkaloy-4 tersebut akan dicarihubungannya terhadap pengaruh perlakuan panas danlamanya pemanasan.

TEORIZirkonium mempunyai struktur heksagonal

kompak (HCP) mempunyai dasar berupa jajaran genjang.Bidang rapatnya adalah bidang datar atau basal (0001),arah pa!ing rapat acta tiga untuk setiap bidang kompak

yaitu [1120].Bila sel satuan struktur heksagonal kompak

mempunyai sisi a dan tinggi c, maka setiap atommempunyai tetangga dekatnya sebanyak 6 buah denganjarak a pacta bidang basal dan 6 tetangga lainya diluarbidangbasal denganjarak d, yaitu d2 = (c/a)2 + (2/3aV/2)2

atau ( c2/4 + a2/3). Bila struktumya ideal ,maka nilai a=d, sehingga cia = 1,633. Nilai c/a= 1,633 merupakan

struktur heksagonal dalam kondisi paling kompakdengan ke-12 atom sekelilingnya saling menyentuh.Untuk c/a.>1,633, dimana koordinatnya dibagi duakelompok yaitu 6 atom menyentuh dan 6 atom lainya~

1111 83

p~ p~ p~ ~ ~,tA ~ u.. ~ ~-lfP.P..,...,~,g ,.t,..'is:..~.~G~S:.

Alat: XRD merek Shimadzu mode! XD-610 panjanggelombang (A..Cu) = 1,5405 A.

Mikoroskop optik merek Nikon-270825.

tidak menyentuh(4,5].ditunjukkan pada Gambar

Struktur heksagonal kompak

PROSEDUR KERJA.I. Pembuatan cuplika,r.

Zirkaloy-4 di-punch dengan ukuran diameter1,5 cm. Zirkaloy-4 dikenakan perlakuan panas padatemperatur 600, 700 dan 900 °C selama 1,5 dan 7 jam.Selanjutnya dihaluskan pemmkaannya dengan kertasamplas mulai nomor 800 sampai nomor 1500 secaraberaturan, setiap penggantian nomor kertas amp las, arabpengamplasan dirubah 90 0 terhadap arab pengamplasan

terdahulu. Penghalusan dilanjutkan dengan mempolescuplikan tersebut dengan cairan serbuk alumina denganukuran 0,5 urn diatas kain poles khusus. Proses polesselesai setelab cuplikan mengkilat seperti cermin dantidak terdapat goresan pada permukaannya.

.: ..

.c

c

2. Metode perhitungan parameter kisi dunkerapatan.

Pengukuran parameter kisi dengan bantuan hukum BraggYaitu [7]:

Gambar 1. Struktur Heksagonal kompak. 2dhkl Sin.8 = nA ( I )

dimana dhkl adalah jarak antar bidang refleksi, e adalahsudut difraksi, n adalah orde refleksi dan A adalahpanjang gelombang sinar-x. Hubungan antara hkl denganparameter kisi untuk sistem heksagonal :

1/(dhkl)2 = 4/3 (h2 + hk + k1/a2 + tl/C2 (2)

Tabel2. Sifat fisis dan mekanik zirkalo -46.Sifatfisis Nilai Perhitungan parameter kisi dengan mempergunakan

metode " Cohen ": 17]I §,c?:r~m"~~!<865 °C)B~~65 °C) AOLa2 + Co.Lap + Do.Lao = La.Sin2.8

AoLao +CO.LP2 +Do.LJ}o = LP.Sin2.8 AoLaJ} + Co.LJ}o + Do.LO2 = LO.Sin2.8I 1850 DC

I~rapatan Dada 20 °c

(3)

6,0Koffisien ekspansi, T=25°C per °C X 10-6

, 285 (kal/g.oK)\. Panas ienis

Sifat mekanik Dimana a = ( h2 + hk + k2 ), j3 = r,o = 10 sin228. Dengan

mempergunakan persamaan (3), dapat dicari perametrkisi yaitu a2=( A.2/3Ao) , C2=(A.2/4Co), a dan c adalhparametr kisi .Kerapatan (p) dapat dicari denganmempergunakan persamaan dibawah ini:

, 99,3 GPAI, Modulus elastis

TAT A KERJA.Bahan: Zirkaloy-4, diperoleh dari PEBN, amplas merekNiken dengan nomor 800, 1000, dan 1500. Pasta

alumina.

( 4)[( BM)/(6,02 X 1023)]

Kerapatan (p)= ---[ 'h.(a)(a Sift 60~(c)]

~, 2S" A~ 111184

p~ p~ p~ ~ ~ 4 k.. ~ ~-4P.P..,...,~.~)..~.~~).

dimana : a dan c parameter kisi(p) kerapatan

Morfologi struktur mikro zikaloy4 dillihatsecara visual dengan mikroskop optik dengan

pembesaran 400X, menunjukan perubahan padabutiran-butiranya, hal ini menunjukan bahwa perlakuanpanas mempengaruhi besaran butiran zirkaloy-4.Menurut acuan [4], perlakuan panas akan mempengaruhipada butiran logam paduan, clan juga akanmempengaruhi sifat fisik pada paduano Gambarmorfologi struktur mikro zirkaloy-4, ditunjukan Gambar3a-c. Oari Gambar 3a-c, terlihat adanya pertumbuhanpada butiran-butiran dari yang kecil menjadi besar, halini menunjukkan perlakuan panas yang dikenakan padazirkaloy-4. Mempengaruhi struktur mikro.

HASIL DAN PEMBAHASAN.a. Difraksi Sinar-x.

Dari Gambar 2, pola difraksi sinar-x padazirkaloy-4 tidak mengalami perubahan pada bidangretleksinya dan mengalami pergeseran pada sudutdifraksi nya. Begitu juga pola difraksi untuk perlakuanpanas pada tempertaur 600, 700 dan 900 °C selama I, 5dan 7 jam untuk setiap temperatur perlakuan panas,tidak mengalami perubahan pada bidang retleksinya,ditunjukan pada Gambar 2a-c. Parameter kisi dapat dicaridengan mempergunakan persamaan (3), dengan sudutdifraksi lebih besar 60 ° (29 >60 O) berdasarkan acuan

[7], yang ditunjukan pada Tabel 2. Kerapatan dapat

dihitung dengan mempergunakan persamaan (4).

KESIMPULANDengan perlakuan panas pada suhu 600, 700,

dan 900 °C selama I, 5 dan 7 jam pada zirkaloy-4 ,

menunjukkan bahwa parameter kisi maupun kerapatanzirkaloy-4 relatip stabil. Morfologi struktur mikro

zirkaloy-4 mengalami perubahan pada ukuran besaranbutiran dari kecil menjadi besar..

Tabel 2. Parameter kisi dan kerapatan zirkalov-4.

~

~~~~~3,2398~~

3,2299

~

~~~~5,1489~

~5,15005,1487

cia

~~~1.?12!~

~~~

1,5941

CuplikanZr4-1HT600

Zr4-SHT600Zr4-7HT600Zr4-1 HT700 iZr4-5HT700Zr4-7HT700Zr4-1HT900Zr4-5HT900Zr4-7HT900

7,1369

I 7,0941

I 7,3128I

7,2813! 7,4648

7,0197

7,07927,0327

7,0864

DAFfARPUSTAKA[1]. BENYAMIN L, The Metallurgy ofZirkonium , Mc

Graw-HilI Book Co, New York, 1955

[2].

Anonymous, ASTM, Annual Book Of ASTMStandards, Vol.12.01, Nuclear Energy, 1990

[3].

JUNO S.H, KIM. I, Effect of f3-Heat Treatment onMicro structure and Mechanical Anisotropy ofZircalloy-4 Fuel Cladding ,J.of.Nuc.Sci.Tech.Vol.26,1989

Dari tabel 2, menunjukan parameter kisi padazirkaloy-4 setelah mengalami perlakuan panas padatemperatur 600,700, dan 900 °c selama 1,5 dan 7 jamtidak mengalami perubahan. Dan dari hasil acuan [8], a= 3,229 °A, c =5,145 °A,. Dari hasil perhitungan

perbandingan cia rata-rata =1,5748 , berartiperbandingan cia adalah stabil terhadap perlakuan panas.Sedangkan kerapatannya 6,56 g/cm3 dari acuan [6].Hasil perhitungan rata-rata diperoleh 7,1479 g/cm3 (Zr4- T600 ), untuk Zr4- T700 adalah 7,2556 g/cm3, dan7,0661 g/cm3 untuk Zr4-T900. Dengan pengaruhperlakuan panas ini , tidak mempengaruhi perubahanpada kerapatan zirkaloy-4. Parameter kisi zirkaloy-4sebelum perlakuan panas adalah a= 3,2271 °A dan c=5,1524 ° A , serta kerapatannya 7,0936 g/cm3. Hubungan

antara kerapatan zirkaloy-4 terhadap temperaturperlakuan panas, ditunjukan pada Gambar 2d. Dari hasilperhitungan parameter kisi zirkaloy-4 memiliki sistemheksagonal kompak dengan parameter kisi mendekatinilai logam zirkonium. Kemiripan ini dengan logamzirkonium, karena zirkaloy-4 terdiri dari 89 % beratzirkonium dan 2% berat unsur yang lain, yang didugamendekati posisi substitusional.

{4]. DIETER .G. E, Metalurgi Mekanik Edisi ke-3,Alih bahasa Sriati Djaprie, Penerbit Erlangga,1987.

[5] JB HERSUBENO, Diklat Radiometalurgi /;Pengantar MetalMrgi, PUSDIKLA T -BA TAN, 1987

[6].

Anonymous, ASM, Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special Purpose Material ,ASMHandbook Vol.2, 1992

[7].

BoD CULLITY, Elements of X-Ray Diffraction,Addison-Wesley Publishing Co ,1978

[8]. GUNA W AN ,dkk, Analisis Struktur Zirkaloy-4Dengan Difraksi Sinar-x", Proceeding Seminar 20Tahun Memasyarakatkan IImu Pengetahuan danTeknologi Nuklir, PPTN-BA TAN, 1985

b. Struktur Mikro.

~, 2S A~ 1111

p~ p~ p~ ~ ~ ~ J.,... ~ ~-4P.P..,...,~,~5.,~,~~5.

Gambar 2c. Pola difraksi sinar-x, zirkaloy-4 setelahperlakuan panas pada T= 900 DC selama

a= 1 jam, b= 5 jam, c = 7 jam.

Gambar 2a. Pola difraksi sinar-x, zirkaloy-4 setelahperlakuan panas pada T= 600 °c selama a= 1 jam, b= 5

jam, c = 7jam.

.., i

~."f-~, ~ " -1 t'-, !.--1:;:0 ~--t -t" +-,...::- 1 ~ ,I"~T -~ , ! ~

J-ti ~ i ':!-' ';!l !-~ ~ , , --J ~.~-+

~ r--! i ,"" 1 ~I: ,-'~

-i~--i--i-~~ [~ t

~-,...c>...T

.-.: .

-r

t--I- i

~

.!,.

,. ,...)

Gambar 2b. Pola difraksi sinar-x, zirkaloy-4 setelahperlakuan panas pad a T= 700 °c selama a= 1 jam, b= 5

jam, c = 7jam.

(a) (b) (c)Gambar 3. Morfologi struktur mikro zirkaloy-4 setelah perlakuan panas selama 1 jam

a). Pada T= 600 DC b).Pada T = 700 DC c). Pada T = 900 DC

~I 2S A~ 11'1'1'86