KARAKTERISASI METALOGRAFI DAN VJI MEKANIK INGOT HASIL DAVR VLANG SKRAP ZIRKALOY-2

Transkripsi

1 ISSN Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 KARAKTERISASI METALOGRAFI DAN VJI MEKANIK INGOT HASIL DAVR VLANG SKRAP ZIRKALOY-2 Hadijaya ABSTRAK KARAKTERISASI METALOGRAFI DAN UJI MEKANIK INGOT HASIL DAUR ULANG SKRAP ZIRKALOY-2. Kegiatan daur ulang skrap Zirkaloy dilakukan untuk mengefisienkan teknis penyimpanan sampah fabrikasi kelongsong, upaya memanfaatkan kembali sebagai material klongsong serta untuk dipersiapkan sebagai bahan utama pada pengembangan bahan struktur berbasis Zirkonium. Bahan yang didaur ulang adalah skrap Zirkaloy-2, merupakan buangan dari proses pembubutan kelongsong. Kegiatan daur ulang skrap Zirkaloy-2 telah dilaksanakan diawali dengan pencucian skrap, kompaksi, dan peleburan. Hasil peleburan yang dilakukan dengan Centorr Furnace tersebut adalah ingot Zirkaloy-2 sebanyak 3 (tiga) sample, selanjutnya dikarakterisasi metalografi serta diuji secara mekanik gun a mengetahui kondisi awal pasca proses peleburan. Berdasarkan gambaran morfologi mikrostruktur dari sejumlah foto diketahui bahwa pembentukan butir belum merata dan mengalami porositas cukup banyak terutama pada sample ingot Zr tanpa pengulangan peleburan (171,66 HVN). Sebagian butir hanya nampak pada bagian tepi dari spesimen, sedangkan dibagian tengah memperlihatkan fasa dendrit. Berdasarkan uji mekanik diketahui bahwa kekerasan mikrostruktur ingot Zr terbaik adalah yang mengalami tiga kali pengulangan peleburan (210,33 HVN). Pengulangan peleburan membantu terjadinya homogenitas yang lebih baik. Pada uji mekanik tersebut diperoleh kekerasan ingot skrap Zr-2 ratarata = 192,23 HVN. ABSTRACT METALLOGRAPHIC CHARACTERIZATION AND MECHANIC TEST RESULTS ON RECYCLING ZIRKALOY-2 SCRAPS. Scrap recycling activities carried out to streamline Zirkaloy technical cornhusk fabrication waste storage, re-use efforts as well as for ciading material prepared as the main ingredient in the development of Zirconium-based structural materials. Material is recycled scrap Zirkaloy-2, is a waste of cornhusk fabrication process. Scrap recycling activities Zirkaloy-2 has been implemented beginning with the washing scrap, pressing, and fusion. Results of fusion are casting Zirkaloy-2 by 3 (three) samples, further characterized by metal/ographic and mechanical testing to determine initial conditions of post-melting process. According to the microstructure morphology of a number of photographs is known that the formation of grains has not been equitable and experienced enough porosity in the sample, especially without repetition castings melting Zr ( HVN). Some items appear only on the edge of the specimen, while the middle shows the phase of dendrites. Based on the mechanical testing is known that the microstructure of violence is the best Zr castings which had three repetitions of fusion ( HVN). Repetition helps the occurrence of fusion better homogeneity. In the mechanical tests are obtained scrap castings violence Zr-2 mean = HVN. Kata kunci : Zircaloy scraps, Casting, Karakterisasi Metalografi. 505

2 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 ISSN PENDAHULUAN 1. Latar belakang B3N PTBN memiliki kompetensi dalam pembuatan unit elemen bakar reaktor daya, khususnya reaktor nuklir berpendingin air ringan (light water cooled nuclear reactors) yang menggunakan bahan kelongsong Zircaloy-2 dan Zircaloy-4. Paduan berbasis zirkonium seperti Zirkaloy-2 dan Zirkaloy-4 telah digunakan pada produksi elemen bakar eksperimental di PTBN. Pada kegiatan fabrikasi elemen bakar tersebut terdapat skrap dalam bentuk serpihan dari potongan plat maupun skrap dari pekerjaan pembubutan. Jumlah skrap yang terkumpul dari waktu ke waktu terus bertambah, sehingga diperlukan upaya pemanfaatan kembali (daur ulang) skrap Zirkaloy agar menjadi logam yang dapat dimanfaatkan sebagai bahan struktur utama pad a pengembangan material klongsong reaktor, efektif mengungkung bahan hasil belah dengan waktu tinggalnya dalam reaktor lebih lama, tahan terhadap iradiasi pada suhu tinggi, serta tahan korosi dalam air panas. Kriteria yang menjadi unjuk kerja zircaloy dalam reaktor ialah ketahanan terhadap oksidasi dan hidridasi, sifat mekanik baik dan tanpa perubahan dimensi yang berarti selama iradiasi di dalam reaktor. Kondisi metalurgi selama proses dan kondisi hasil proses ditentukan oleh komposisi karena parameter komposisi mengendalikan sifat kimia, fisik, mekanik dan netronik. Untuk mendapatkan kelongsong paduan berbasis zirkonium baru yang memenuhi kriteria di atas, para peneliti mulai melakukan pembuatan paduan-paduan seperti ZrNbFe, ZrNbSi dan sebagainya mulai dari kompaksi serbuk hingga proses peleburan menggunakan tungku busur listrik. Zirkonium memiliki titik lebur yang tinggi yaitu 1852 ± 2 C, sehingga untuk membuat paduan berbasis zirkonium harus menggunakan Centorr Furnace yang memiliki suhu arc dalam orde puluhan ribu Kelvin. Peleburan dilakukan dengan pengulangan sebanyak tiga hingga lima kali untuk mencapai tingkat homogenisasi yang lebih baik. Dalam peleburan ini digunakan arus sebesar 80 A dalam kondisi gas inert (gas argon). Peleburan paduan berbasis zirkonium lebih tepat jika menggunakan arc furnace karena zirkonium memiliki titik lebur yang tinggi. Hasil leburan sam pel paduan berbasis zirkonium yang menggunakan zirkonium dalam bentuk sponge memiliki kualitas yang lebih baik dibandingkan dengan sam pel yang menggunakan zirkonium dalam bentuk serbuk. Pada kegiatan litbang bahan struktur berbasis Zirkonium, material utama yang digunakan berbentuk sponge, sedangkan unsur-unsur pemadu dalam bentuk serbuk. Peleburan paduan berbasis zirkonium, dengan zirkonium dalam bentuk sponge, menghasilkan sam pel dengan kualitas yang lebih baik jika dibandingkan sam pel yang menggunakan zirkonium dalam bentuk serbuk. Berdasarkan keterbatasan material Zirkonium yang sampai kini masih import, maka daur ulang skrap Zirkaloy-2 kiranya penting dilaksanakan agar material yang bernilai ekonomis tersebut dapat dimanfaatkan pula untuk pembuatan paduan-paduan berbasis Zirkonium dilingkungan PTBN. 2. Tujuan Kegiatan daur ulang skrap Zirkaloy dilakukan dengan tujuan untuk mengefisienkan teknis penyimpanan sampah fabrikasi kelongsong, upaya memanfaatkan kembali sebagai material klongsong serta untuk bahan utama pada pengembangan bahan struktur berbasis Zirkonium. 3. Ruang lingkup Proses daur ulang dilakukan melalui metode casting yang diawali dengan pencucian skrap dan kompaksi kemudian dikarakterisasi metalografi serta diuji karakteristik mekaniknya. 506

3 ISSN Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 TATA KERJA 1. Bahan Bahan yang didaur ulang adalah skrap Zirkaloy-2 yang merupakan buangan dari proses pembubutan. 2. Alat Peralatan utama yang digunakan adalah mesin press dan tungku busur listrik, mikroskop optic dan mikro hardness tester. 3. Cara kerja 1. Pencucian Skrap Zirkaloy Skrap Zirkaloy (Gambar-1 b) yang merupakan limbah proses pembubutan dalam keadaan tercemar olie mesin sehingga perlu dilakukan pencucian dengan aseton agar bekas olie tidak menjadi jelaga pad a sa at proses casting dengan tungku busur listrik. Selesai dilakukan perendaman selama sekitar 15 menit lalu ditiriskan sampai benar-benar kering. Gambar-1 a. Bahan Baku Zirkaloy-2 pejal. Gambar-1 b. Scraps Zircaloy-2 buangan proses fabrikasi yang akan didaur ulang. 2 Proses Kompaksi Sebelum dilakukan peleburan, skrap Zirkaloy-2 dikompaksi dulu. Kegiatan kompaksi diawali dengan memasukkan skrap kedalam sebuah dies kemudian bersama dies tersebut ditempatkan pada mesin press (Gambar-2). 507

4 ~,,: 'C Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 ISSN Gambar 2. Proses Kompaksi dengan mesin press hidraulik. Kemudian dilakukan penekanan dengan daya hidraulik pad a tekanan 5 psi. Hasilnya berupa pelet seperti pada Gambar 3. Pelet yang berbentuk dadu ini siap dilebur dalam tungku busur listrik. <:-,, ::' ~r. 3 " c "11 Gambar 3. Pelet yang berasal dari skrap Zirkaloy-2. 3 Proses Casting Peleburan paduan berbasis zirkonium dilakukan dengan arus 80 A, dengan pengalaman bahwa zirkonium dapat dilebur pada batas itu. Pertimbangan lain adalah penggunaan arus yang besar pad a jangka waktu relatif lama dapat menimbulkan overheat pada catu daya. Jika pada keadaan overheat pemakaian alat tidak dihentikan maka kemungkinan dapat terjadi kerusakan pad a ala1. 508

5 ISSN Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 Gambar 4a. Proses peleburan skrap Zirkonium Tungku busur listrik dinyalakan dengan cara menyentuhkan ujung elektroda pada sam pel lalu segera menariknya saat loncatan busur listrik itu terjadi (Gambar-4a). Langkah-Iangkah proses casting menggunakan tungku busur listrik adalah dengan tahapan sebagai berikut: 1. Arus pada catu daya disetel sebesar 80 A. 2. Posisi elektroda diatur agar dekat dengan sampel, lalu ditahan pada posisi tersebut. 3. Pedal diinjak (untuk menghubungkan arus), kemudian sentuhkan elektroda pad a sampel untuk memulai arc. Panjang arc diubah sesuai keinginan dengan mengatur jarak antara elektroda dengan sam pel. 4. Elektroda diarahkan pad a sam pel sampai seluruh bagian sam pel melebur; pedal dilepaskan untuk menghentikan arus. 5. Elektroda dan sam pel dibiarkan agar menjadi dingin, kemudian setelah dingin sam pel dikeluarkan dari tungku peleburan. Ingot zirkonium seperti pad a Gambar 4b yang selesai dilebur tersebut dapat disimpan untuk sementara waktu atau dimanfaatkan sebagai bahan utama pada litbang pembuatan bahan struktur berbasis zirkonium. Gambar 4b. Ingot Zr hasil peleburan skrap Zirkaloy-2 4 Uji Mekanik Ingot hasil peleburan skrap Zirkaloy-2 selanjutnya diuji secara mekanik. Aplikasi uji mekanik yang dilakukan adalah dalam skala mikro. Ingot Zr perlu diketahui kekerasan mikronya untuk memastikan kondisi awal sebelum melakukan perlakuan lebih lanjut. 509

6 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 ISSN Pad a percobaan uji mekanik digunakan alat model Leitz Micro Hardness. Alat penguji kekerasan memakai indentor berbentuk piramid ini dapat membuat jejakan pad a material dengan sejumlah pembebanan tertentu. Masa penjejakan berlangsung 30 detik dan menghasilkan lubang jejakan berbentuk diagonal. Panjang diagonal jejakan yang diukur pada arah horisontal dan vertikal dihitung sebagai diagonal rata-rata. Nilai kekerasan material uji dicari pada tabel yang tersedia dengan memproyeksikan diagonal rata-rata serta bobot beban yang digunakan. 5 Karakterisasi Metalografi Pemilihan area pada sam pel merupakan langkah pertama yang cukup penting untuk penyiapan analisis metalografi mengingat bahwa cuplikan merupakan gambaran yang sebenarnya dari material! bahan yang akan dianalisis. Pad a karakterisasi metalografi ini area yang dipilih adalah bagian bawah dan tengah sam pel. Untuk pengambilan area bawah yaitu dengan menggerinda sam pel ingot Zr hingga diperoleh permukaan yang rata dan secara visual tidak menampilkan cacat! kropos. Sedang pengambilan area tengah dilakukan dengan membelah sam pel ingot Zr tersebut. Karakterisasi metalografi ingot Zr diawali dengan preparasi sam pel yang pada umumnya terdiri dari beberapa tahap seperti : cutting (pemotongan), mounting (penanaman), grinding (pengasahan kasar), polishing (pengasahan halus) dan etching (etsa). Larutan etsa yang digunakan merupakan formula bahan kimia yang terdiri dari : 45 ml HN03 70% + 15 ml H ml HF 40% + 45 mlglicerol + 45 ml H20. Ingot Zr yang telah di preparasi metalografi selanjutnya di amati dibawah mikroskop optik dan dilakukan pengambilan gambar area mikrostruktur. HASIL KEGIATAN DAN PEMBAHASAN Kekerasan merupakan ukuran ketahanan material terhadap deformasi tekan. Deformasi yang terjadi dapat berupa kombinasi perilaku elastis dan plastis. Pada permukaan dari dua komponen yang saling bersinggungan dan bergerak satu terhadap lainnya akan terjadi deformasi elastis maupun plastis. Deformasi elastis kemungkinan terjadi pad a permukaan yang keras, sedangkan deformasi plastis terjadi pada permukaan yang lebih lunak. Pengaruh deformasi bergantung pad a kekerasan permukaan material. Berdasarkan pengujian terhadap tiga sam pel ingot Zr yang telah dilakukan, diperoleh data kekerasan seperti pada Tabel1. Tabel1. Data uji berdasarkan identasi pada sam pel ingot zirkaloy-2 Kode 31,832,9 31,430, ,2 29,6 32, ,4 31,3 d2 HVN drerata 27,8 30,7 28, , ,8 31,9 Kekerasan d rata-rata ,66 171,66 210,33 Kekerasan HVN Pengulangan peleburan dilakukan secara bervariasi, yaitu 1x untuk sam pel A; 2x untuk sam pel B dan 3 kali untuk sam pel C. Berdasarkan uji mekanik yang dalam hal ini dilakukan dengan menggunakan alat Microhardness tester diperoleh data seperti pada Tabel 1. Perbedaan kekerasan nampaknya dipengaruhi oleh pengulangan peleburan dim ana makin banyak pengulangan dilakukan maka diperoleh nilai kekerasan mikro yang relatif lebih tinggi dari pada peleburan yang hanya dilakukan sekali saja. Hal tersebut kiranya dapat dimaklumi karena terdapat kemungkinan bahwa 510

7 ISSN Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 peleburan tanpa pengulangan menghasilkan ingot Zr dengan porositas relatif lebih banyak dibandingkan peleburan dengan 3x pengulangan. Jika jumlah porositas pad a permukaan material relatif banyak maka kekerasan mikro menjadi rendah, demikian sebaliknya. Foto hasil karakterisasi metalografi seperti pad a Gambar 5a sampai 7b tidak menunjukkan perbedaan yang signifikan karena memang perlakuan terhadap sam pel tersebut semuanya sama. Gambar 5a. Sampel A, penampang bawah Gambar 5b. Sampel A, penampang tengah Ingot Zr yang dilebur hanya satu kali (sam pel A) seperti pada Gambar 5a dan 5b memang belum menampakkan batas butir yang jelas karena proses casting belum dilanjutkan dengan treatment anil maupun solidifikasi pada variabel tertentu. Gambar 6a. Sam pel B, penampang bawah Gambar 6b. Sam pel B, penampang tengah Oemikian pula halnya dengan sam pel B pada Gambar 6a dan 6b, belum menunjukkan butir yang jelas. Pertumbuhan butir awal hanya tampak dalam fasa dendritik. Namun demikian keadaan kekerasannya lebih tinggi dari pada sam pel A, yaitu 194,66 HVN. 511

8 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2009 ISSN Gambar 7a. Sam pel C, pen am pang bawah Gambar 7b Sam pel C, penampang tengah Keadaan yang lebih baik terdapat pada sampel C seperti Gambar 7a dan 7b. Akibat pengulangan peleburan yang menggunakan Centorr Furnace (Arc Furnace) porositasnya menjadi lebih rendah dibandingkan dengan sam pel A dan B. Ternyata porositas dapat dikurangi dengan memperbanyak pengulangan peleburan. Pengulangan peleburan membantu terjadinya homogenitas yang lebih baik pad a ingot Zr sam pel C. Pada uji mekanik tersebut diperoleh kekerasan ingot skrap Zr-2 rata-rata = 192,23 HVN. KESIMPULAN Kegiatan daur ulang skrap Zirkaloy-2 telah dilaksanakan dengan metode casting (peleburan) menggunakan Centorr Furnace dan masih perlu dilanjutkan lagi dengan menyempurnakan teknik pencucian skrap dan pekerjaan kompaksi guna mengurangi banyak asap pad a saat proses casting. Berdasarkan gambaran morfologi mikrostruktur dari sejumlah foto diketahui bahwa pembentukan butir belum merata dan material mengandung porositas cukup banyak terutama pada sample ingot Zr tanpa pengulangan peleburan (171,66 HVN). Sebagian butir hanya nampak pada bagian tepi dari spesimen, sedangkan dibagian tengah memperlihatkan fasa dendrit..berdasarkan uji mekanik diketahui bahwa kekerasan mikrostruktur ingot Zr terbaik adalah yang mengalami tiga kali pengulangan peleburan ( HVN). Pengulangan peleburan membantu terjadinya homogenitas yang lebih baik. Pada uji mekanik tersebut diperoleh kekerasan ingot Zr-2 rata-rata = 192,23 HVN. DAFT AR PUST AKA [1] RE SMALLMAN, 1991, Metalurgi Fisik Modern, Edisi IV, PT. Gramedia Jakarta [2] WD. ALEXANDER dkk, 1991, Dasar Metalurgi untuk Rekayasawan, PT. Gramedia Pustaka Utama [3] SUGONDO, 2005 Peranan Pemadu Sn, Fe, Cr, Nb, dan Mo dalam Zirkaloi, Buletin Daur Bahan Bakar Nuklir Urania, No. 41/Thn. XI/2005 [4] ANONIM, Equipment Installation, Operation, and Maintenance Manual Single Are, Centorr Vacuum Industries,USA 512