Prosidin~ Pertemuan I/miah Sains Materi 1997 /SSN /4/0 -2897

PEMBUA T AN P ADUAN ZIRKALOY DENGAN TEKNIKPELELEHAN TUNGKU BUSUR TUNGGAL I

?£Djoko H Prajitno2 dan Dani Gustarnan Syarit2

ABSTRAKPEMBUA T AN P ADUAN ZIRKALOY DENGAN TEKNIK PELELEHAN TUNGKU BUSUR TUNGGAL. Pada makalah

ini dibahas pembuatan paduan zirkaloy dengan teknik pelelehan tungku busur tunggal dalam lingkungan atmosfer argon. Hasilpengamatan secara visual, memperlihatkan bahwa ingot dalam bentuk kancing yang dihasilkan mempunyai penampakan yang bagus,bersih dan mengkilap. Hasil pemeriksaan dengan difraksi sinar x menunjukkan bahwa ingot mempunyai rasa utama a. Dari hasilpemetaan dengan sinar x diketahui bahwa distribusi unsur pemadu dalam ingot yang diperoleh relatif homogen. Hasil karakterisasidengan mikroskop optik menunjukkan bahwa ingot kancing mempunyai struktur mikro basket weave.

ABSTRACTFABRICATION OF ZIRCALOY BY SINGLE ARC MELTING FURNACE METHOD. Fabrication ofzircalloy by single

arc melting furnace method under argon atmosphere has been studied. Considering visual examination, it is seen that the button ingotshad good, clean and lustrous in appearance. X-ray diffraction examination confirmed that the ingot contained the primary a-phase.Based on x-ray mapping, it is shown that the distribution of alloying element of the produced ingot was relatively homogen. On the basisof optical microscope characterization, it is seen that the button ingot contained of basket weave microstructure.

KEY WORDZirkaloy, Microstrocmre, Basket Weave. Arc Melting Furnace

PENDAHULUAN menggunakan tungku pelelehan busur tunggal (singleArc melting furnace) LM-l buatan LaboratoriurnMetalurgi PPTN-BATAN. Studi awal ini dilakukandengan tujuan utama untuk mengetahui unjuk kerjatungku dan basil paduan yang diperoleh.

PERCOBAAN

Bahan untuk penelitian ini terdiri dariZirkonium sponge dengan komposisi 99 %, Cr chip99,99 % clan Fe chip yang mempunyai komposisi99,98%. Prosedur Percobaan dapat dilihat dalamdiagram alir pada gambar I. Dua buah sampelpaduan zirkonium dibuat dengan komposisi paduansebagai berikut Zr-O,2w/o.Cr-O,15w/o.Fe clan Zr-O,2w/o.Cr-O,2w/o.Fe

Sampel ditimbang sesuai dengan komposisi dialas dengan jumlah total 15 gram setelah itu sampeldilebur dalam tungku pelelehan busur tunggal LM-Ibuatan Lab. Metalurgi PPTN-BATAN. Pada gambar2 diperlihatkan tungku pelelehan busur listriktunggal secara skematis. Prosedur clan teknikpelelehan paduan logam zirkonium dengan tungkubusur listrik tunggal dapat diperoleh pada referensi 8.Hasil peleburan sample yang berupa ingot diieburlagi dalam cetakan yang berbentuk balok kemudiansampel dipotong dengan ketebalan masing-masing 2mm. Potongan sampel dimetalografi clan dilakukankaraktreisasi. Untuk mengetahui rasa-rasa yang adadalam paduan, sample diperiksa dengan difraksisinar X dengan menggunakan Shimadzu X-raydiffraction. Mikroskop optik NIKON MM-22digunukan untuk mendapatkan citra struktur mikro

Paduan zirkonium banyak digunakan secaraintensif di industri nuklir karena paduan zirkoniummempunyai luas penampang lintang serapan netronyang rendah (I). Beberapa penggunaan paduanzirkonium adalah sebagai bahan kelongsong elemenbakar nuklir pada industri pembangkit listrik tenaganuklir berpendingin air ringan, bejana tekanpembangkit uap reaktor air berat dan pipa Calandriadalam reaktor CANDU-PHW(2,3). Pada saatsekarang ini, ada kecenderungan satu USaha untukmenaikkan efisiensi elemen bakar nuklir dengantara menaikkan burnup [4,5]. Naiknya burnup padakelongsong elemen bakar nuklir akan menurunkanunjuk kerja kelongsong yang pada akhimya akanmembatasi umur daTi elemen bakar nuklir (6,7).

Pada dasamya ada dua tara untukmeningkatan unjuk kerja kelongsong elemen bakarnuklir yaitu dengan tara perlakuan panas (heattreatment) paduan zirkaloy yang sudah ada dan yangkedua dengan memodifikasi paduan zirkaloy dengantara merubah komposisi unsur pemadunya dan/atau

mengembangkan paduan zirkaloy baru(7).Pembuatan paduan logam untuk sampel-

sampel kecil dengan menggunakan teknik pelelehandapat dilakukan dengan berbagai tara yaitu denganmenggunakan tungku pelelehan bertahanan(resistance melting furnace), tungku pelelehaninduksi (Induction melting furnace) dan tungkupelelehan busur listrik (electric arc meltingfurnace).

Pada makalah ini akan dibahas hasil studipembuatan paduan zirkaloy Zr-Cr-Fe dengan

I Dipresentasikan pada Pertemuan I\miah Sains Materi 1997

2Pusat Penelitian Teknik Nuklir -BAT AN

120

/SSN /410 -2897Pros;d;nv Pertemuan I/m;ah Sa;ns Mater; 1997

paduan zirkonium. Untuk melihat distribusi unsurpemadu dalam paduan zirkonium digunakanpemetaan sinar x dengan menggunakan fasilitasSEM Philips.

daD wama inengkilap seperti diperlihatkan padagambar 3. dibawah ini:

~.

~

Gambar 3 Ingot paduan zirkonium sebelum dicetak

Pada label I dapat diperlihatkan kehilanganberat yang terjadi selama proses pembuatan paduanzirkonium. Pada label tersebut menunjukkan bahwaselama tahapan proses pelelehan terjadi kehilanganberat yang tidak begitu berarti yaitu sekitar 1 %.Untuk paduan yang pertama kehilangan berat sebesar0,686 % sedangkan untuk paduan yang ke duakehilangan berat sebesar 1,027 %.

Fe, Cr chip + + Zr sponge

I Penimbangan I.I Pelelehan I

+

I Metalografi 1.Karakterisasi

sampel

Gambar I Diagram alir percobaan

Tabel I Hasil penimbangan berat nominal (sebelumpelelehan) dan berat pengukuran (sesudah pelelehan)

pactum zirkonium).

Beratpengukura

n

(gr~)

Kehilangan

berat (%j

Paduan Beratnominal

(gram)

0,686Zr-O,2w/oCr-O,1510Ft

15 14.8971

1,02715 14,8459Zr-O,2w/oCr-O,20IQFe

Hasil karakterisasi dengan difraksi sinar Xuntuk idenfikasi rasa-rasa yang ada dalam paduanlogam dapat dilihat pada gambar 4. Dari gambartersebut terlihat bahwa puncak-puncak yang dominanpada pola difraksi sinar x ditempati oleh rasa a.

Hasil karakterisasi paduan logam zirkoniumdengan SEM yaitu pemetaan distribusi unsur pemadupada matrik dengan sinar X dapat dilihat padagambar 5. Pada gambar (a) diperlihatkan pemetaanunsur pemadu Fe, sedangkan pada gambar (b)pemetaan unsur pemadu Cr. Dari gambar tersebutterlihat bahwa distribusi unsur pemadu pada paduan

logam relatifhomogen.

Gambar 2 Tungku pelelehan busur tunggal LM-i

BASIL PERCOBAAN

Hasil peleburan paduan zirkonium denganmenggunakan tungku busur listrik tunggalmenghasilkan ingot dengan ukuran diameter ingotsebesar 2 cm dengan penampakan yang bagus, bersih

121

Pros;d;ng Pertemuan I/m;ah Sa;ns Mater; 1997 1SSN 1410 -2897

Hasil- karakterisasi dengan mikroskop optikditunjukkan pada gambar 6. Pada gambar tersebutterlihat bahwa ke dua paduan logam zirkonium hasilpelelehan dengan tungku busur listrik tunggalmempunyai struktur mikro basketweave daD paraletplate.

Gambar 4. PaiR difraksi paduan Zr-O,2w/oCr-O, I 5w/oFe

(a)

(a)

(b)

Gambar 6. Struktunnikro ingot paduan Zr-Fe-Cr (a).Paduan Zr-O,2wt.%Fe-O,15wt.%Cr ,dan (b).paduan Zr-O,2wt. %Fe-O,20wt. %Cr

Struktur mikro basketweave tersebut mempunyaikarakteristik bentuk plat pendek-pendek sejajar clansaling berpotonga.l antara plat yang satu dengan platlainnya seperti diperlihatkan pada paduan logam Zr-0,2w/oCr-0,15 w/oFe. Paduan logam Zr-0,2w/oCr-0,20 w/oFe mempunyai struktur mikro paralel plateyang dominan dengan karakteristik bentuk plat-platpanjang dan sejajar.(b)

Gambar 5. Pemetaan unsur pemadu dalam ingot dengansinar x z (a) Untuk Unsur Fe paduan Zr-O,2wt.%Cr-O, I 5 wt.%Fe( b)Untuk Unsur Crpaduan Zr-O,2 wt. %Cr-O,20 wt. %Fe

122

Prosidinf! Perlemuan Ilmiah Sains Maleri 1997 ISSN 1410 -2897

DISKUSI terjadi transfonnasi rasa daTi rasa cair ke rasa J3,pendinginan lebih lanjut daTi rasa J3 akan Sehinggabasil akhir proses pendinginan tersebut mempunyairasa yang dominan yaitu rasa a daD puncak-puncakdifraksi basil pemeriksaan dengan sinar x ditempatioleh rasa a sebagai rasa yang dominan.

Mekanisme transfonnasi rasa daTi J3 adapat dilihat pada gambar 8. Pada tahap awalpendinginan daTi lelehan paduan logam akanmenjadi rasa J3.

.inti a

Dari gambar 2 terlihat bahwa ingot yangdihasilkan mempunyai penampakan yang bagus,bersih clan berwarna mengkilap, hal ini menunjukkanbahwa selama peleburan paduan zirkonium, bahan-bahan paduan tersebut mengalami oksidasi yangrelatif kecil. Hasil pemetaan unsur pemadu dengansinar x juga menghasilkan distribusi yang relatifhomogen. Sehingga dapat disimpulkan bahwakualitas ingot basil pelelehan dengan tungku busurlistrik tunggal relatif cukup baik.

Pada label I terlihat bahwa selama prosespembuatan ingot terjadi kehilangan berat yang tidakberarti hal ini mungkin disebabkan selama prosespelelehan ada sedikit bahan yang tertinggal dalamkrusibel tembaga yang tidak meleleh. Kemungkinanyang lain adalah penguapan. Dari data termodinamik(9), menunjukkan bahwa penguapan crO3 terjadipada temperatur 1200°C sedangkan temperatur lelehzirkonium terjadi pada temperatur l780°C.

y

(b)la)

Gambar 8. Mekanisme transforrnasi rasa daTi p+ a (a)Struktur mikro sebelum tranforrnasi (fasa P)(b) Struktur mikro tranforrnasi Il a (c)Struktur mikro akhir (fasa a)

Pada tahap selanjutnya inti-inti a. tumbuh pada batasbutir. Dengan pendinginan lebih lanjut rasa-rasa a.akan mengalami pertumbuhan lebih lanjutmenghasilkan struktur mikro basketweave yangmempunyai bentuk plat pendek-pendek sepertidiperlihatkan pada gambar 3. Struktur basketweaveterjadi karena rasa a. yang tumbuh dari sejumlahdaerah pengintian yang berbeda dalam daerahbutiran beta dimana bentuk plat-plat tersebut salingberpotongan. Dari peneltian sebelumnya (10,11) halini menunjukkan bahwa partikel senyawa antarlogam Zr (Fe,Cr) sebagai rasa kedua yang tidak larutdalam rasa beta berfungsi sebagai tempat pengintianrasa a. pada waktu pendinginan dengan basil akhirstruktur basketweave. Sedangkan struktur mikroparalel plat terjadi dengan mekanisme yang sarnatertapi dengan kecepatan pendinginan yang berbeda.

'~-. .,...C'-"'.-.~W

-". /~J'- \

1- ,~ \

4~T~

i:~.

.-..- ii--". ..:...--~ t-1

".I!

".

:tl:!:J

1 1 I ,.,."

--I-J- II,.....,

000

, I

J .I ",,- I

... -~"".-'."

Gambar 7. Diagram rasa Zr-Fe daD Zr-Cr

KESIMPULAN

Hasil difraksi sinar x menunjukkan bahwapuncak-puncak yang dominan dari pola difraksiditempati oleh rasa 0. zirkonium sedangkan 2 puncakk yang lain belum dapat diidentifikasi. menghasilkanrasa 0..Dari diagram rasa Zr-Fe clan Zr-Cr pada gambar 7terlihat bahwa paduan zirkoium akan meleleh di atastemperatur 1780°C waktu terjadi pendinginan akan

Dari hasil pembahasan yang telah dilakukandapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut:Bahwa Ingot kancing hasil pelelehan mempunyaipenampllkan yang baik, bersih clan mengkilapmenandakan sedikit sekali terjadi oksidasi. Selama

123

Pros;d;nf! Perlemuan I/m;ah Sa;ns Mater; 1997 ISSN 1410 -2897

proses pembuatan paduan logam berlangsung terjadik~hilangan berat yang tidak berarti. Hasil daripemeriksaan dengan x-ray difraksi memperlihatbahwa paduan logam zirkonium mempunyai rasautama a zirkonium. Sedangkan hasil pemetaaandengan x-ray menunjukkan bahwa distribusi unsurpemadu dalam ingot paduan zirkonium relatifhomogen. Ingot paduan zirkonium hasil pelelehanmempunyai struktur struktur basket weave clan

paralel plate.

UCAP AN TERIMA KASIH

Penulis rnengucapkan terirna kasih kepadaSdri. Ari Handayani dari PPSM-BATAN, Serpong,yang telah rnernbantu penulis dalarn pengarnbilandata sam pel dengan pemetaan sinar-X.

DAFTARPUSTAKA

[3] SCHEMEL, J.H.,lntroduction to Zirconium andIts Alloys, Asm (1993)781.

[4] ISOBE, T., and MATSUO,Y., Proceeding of theFourth Intenational Symposium on AdvancedNuclear Energy Research, (1993)523.

[5] ANADA,H., Proceeding of the Fourthlntenational Symposium on Advanced NuclearEnergy Research, (1993)523.

[6] ABE,K., Proceeding of the Fourth lntenationalSymposium on Advanced Nuclear EnergyResearch, (1993)530.

[7] KHA WLA and GUPTA, R.K., MaterialSelection for Corrosion Control, ASMInternational, (1993)269.

[8] DJOKO, H.P., Tungku Pelelehan Busur ListrikTunggal , Lab. Metalurgi PPTN- BA TAN(1996).

[9] LA Y., High Temperatur Oxidation EngineeringAlloy, ASM (1991).

[IO]MATUCHA, K.H., Materials Science andTechnology Volume 8, Structure and NonferousMaterials, (1996)436.

[II]QUACH, V.O., and NORTHWOOD,D.O.,Metallography, Vol. 17, (1994)192.

[1] BENY AMIN M, Nuclear Reactor Materials andApplication, (1983) 299.

[2] MURTY, K.L., HUSSEIN,S., and JUNG, Y .H.,Scripta Metallurgica, Vol. 19, No.9 September(1985) 1045.

124