15 BAB III TINJAUAN PUSTAKA 3.1 PENDAHULUAN Zirconium (zircaloy) material yang sering digunakan dalam industri nuklir. Dalam reaktor nuklir, zircaloy diperlukan sebagai pelindung bahan bakar dari pendingin, pengukung hasil fiksi, pemindah panas, dan bahan struktur. Dengan demikian maka zircaloy harus mempunyai sifat mekanik yang sangat baik, tahan korosi, dan serapan neutron rendah. Sebagai contoh zircaloy-2 untuk reaktor air didih dan zircaloy-4 digunakan untuk reactor air bertekanan dengan suhu kelongsong 349 c untuk BWR (sudjadi, 2010). Zircaloy-4 digunakan sebagai kelongsong bahan bakar nuklir karna memiliki sifat kimia dan sifat mekanik yang baik, zircaloy-4 memiliki daya serap yang kecil terhadap neutron pada suhu pengoperasian, ini berarti bahwa efek zat terlarut hidrogen pada temperature suhu tinggi diperlukan untuk membahas tidak hanya oleh penurunan modulus young, tetapi juga oleh mekanisme deformasi untuk memastikan keselamatan pembangkit listrik tenaga nuklir (Matsunaga dkk, 2017). Zircaloy-4 merupakan paduan zirkonium hasil pengembangan zircaloy-2 yang dibuat dengan tujuan utama untuk mereduksi penyerapan hidrogen. Komposisi dari zircaloy-4 sama dengan zircaloy-2, kecuali jumlah nikel yang dibatasi sampai 0,007% dan besi dengan jumlah berkisar 0,12-0,18%. Zircaloy-4 memiliki temperatur ketahanan korosi yang lebih tinggi mencapai 360-390 C sehingga dapat digunakan untuk reaktor PWR (Sudjadi, 2010).
16 Pada kelongsong bahan bakar nuklir, paduan zirconium/zircaloy-4 memiliki ketahanan korosi yang baik dan stabilitas iradiasi dalam lingkungan reactor, oleh sebab itu material ini digunakan sebagai kelongsong bahan bakar untuk jangka waktu yang lama (Kim dkk, 2014) 3.2 METODE PENGERASAN ZIRCALOY-4 Metode pengerasan yang digunakan pada material dilakukan dengan cara sebagai berikut : 1. Melalui pemaduan timah, tembag, dan niobium, dan 2. hydriding 3.2.1 MELALUI PEMADUAN TIMAH, TEMBAGA, DAN NIOBIUM Zircaloy-4 dapt ditingkatkan dengan cara penurunan kandungan Sn (timah), bahwa penurunan kandungan Sn dapat menyebabkan penurunan kekuatan tarik maksimum (ultimate tensile strength) dan kekuatan luluh (yield strength) dari zircaloy-4. Penurunan kandungan Sn dapat diperbaiki dengan penambahan Cu (tembaga), kandungan Cu sebanyak 0,1% mampu menggantikan kekuatan luluh dan kekuatan tarik maksimum zircaloy-4 akibat penurunan kandungan Sn dari 1% menjadi 0. Diketahui juga bahwa paduan berbasis zirconium dengan penambahan sedikit Nb (niobium) sekitar 0,05-0,2% menunjukkan ketahanan terhadap korosi yang lebih baik dibandingkan dengan paduan zirconium tanpa penambahan Nb (Sugondo, 2011). 3.2.2 HYDRIDING Penyerapan gas hidrogen oleh ingot paduan zircaloy-4 pada proses hydriding, proses hydriding dilakukan dengan cara paduan zircaloy-4 dipanaskan dibawah temperature euthectik 565 c dengan divakum hingga bertekanan 14,80204 s//d 14,80884 psi.setelah beberapa kali pengisian gas hidrogen, pemanasan dihentikan hingga temperature turun dengan perlahan mencapai temperature suhu kamar. Penyerapan gas hidrogen oleh paduan zircaloy-4 dapat diihat dari penurunan tekanan manometer (Suyoto, dkk, 2013)
17 Zircaloy-2 dan zircaloy-4 memiliki struktur kristal berbentuk HCP pada temperatur kamar sebagai fasa-α. Sedangkan fasa-β akan mulai terbentuk ketika terjadi pemanasan sekitar temperatur rekristalisasi zirkonium dan fraksinya akan terus meningkat hingga seluruhnya pada temperatur 980 C 3.3 Komposisi Kimia Zircaloy-4 Zircaloy-4 adalah material yang sering digunakan sebagai kelongsong bahan bakar nuklir dan digunakan untuk reactor air bertekanan (PWR). Secara umum zircaloy-4 mengandung unsur utama Zirconium. Selain dari zirconium, zircaloy-4 mengandung beberapa logam lainnya seperti Sn (timah), Fe (besi), Cu(tembaga), Nb (niobium), Cr (kromanium) (sugondo, 2011). 3.4 Sifat Mekanis Zircaloy-4 Sifat mekanis merupakan salah satu indikator kualitas dari material zircaloy-4 yang sangat penting. Berapa sifat mekanis yang umum untuk diperhatikan yaitu seperti ketahanan terhadap korosi, ketahanan terhadap creep, kemampuan fabrikasi, konduktivitas, kekuatan luluh, kekuatan tarik dan stabilitas terhadap radiasi tinggi (sugondo, 2011, abdul latief, 2008). 3.5 Interaksi Hidrogen Pada Zircaloy-4 3.5.1 Mekanisme interaksi logam dan hidrogen Masuknya hidrogen ke dalam material logam hampir dipastikan merupakan awal terjadinya hydrogen embrittlement yang prosesnya melibatkan banyak parameter. Secara umum, interaksi antara gas hidrogen dengan permukaan logam bisa dibagi menjadi tiga macam interaksi, antara lain adsorpsi fisis, adsorpsi kimia dan absorpsi. Adsorpsi fisis merupakan hasil dari ikatan van der waals antara adsorben dan permukaan logam, dalam hal ini zirkaloi sebagai kelongsong bahan bakar nuklir. Interaksi jenis ini bersifat reversibel dan biasanya terjadi secara spontan dan cepat yang ditandai dengan perubahan entalpi yang nilainya setara dengan panas kondensasi dari adsorben (<20 kj/mol)( A. Zuttel dkk, 2008) Energi pada proses ini normalnya
18 bernilai negatif dan besarnya tidak melebihi -0,2 ev. Untuk sebagian besar material logam nilai energi potensial ini hanya berkisar -0,05 ev. Dengan interaksi yang hanya berada pada rentang energi rendah, maka proses adsorpsi fisis ini berlangsung pada suhu rendah. Gambaran hubungan antara interaksi yang mungkin terjadi dengan nilai energi potensial yang dibutuhkan terlihat pada Gambar 3.1. Gambar 3.1 Diagram Energi Potensial (anonimus, n.d) Pada proses adsorpsi kimia, interaksi melibatkan reaksi kimia antara adsorben dan permukaan atom yang biasanya berlangsung secara lambat dan bisa terjadi kemungkinan reversibel maupun ireversibel. Proses ini melibatkan terjadinya disosiasi molekul hidrogen menjadi atom hidrogen yang energinya berkisar antara -0,2 ev sampai -4 ev dan untuk sebagian besar logam nilainya sekitar -0,5 ev. Kemungkinan interaksi terakhir adalah absorpsi yang melibatkan produk dari proses adsorpsi kimia yang masuk kedalam sebagian besar kisi logam. Hidrogen cenderung larut dalam logam sebagai atom daripada sebagai molekul, karena pada dasarnya proses absorpsi hidrogen membutuhkan hidrogen dalam bentuk atom pada permukaan logam. Disosiasi molekul hidrogen pada kondisi gaseous hydrogen digambarkan seperti pada gambar 3.2. Hidrogen yang terabsorbsi dalam logam kemungkinan berada pada dua lokasi, yaitu interstisi dalam kisi atau cacat pada Kristal.
19 Gambar 3.2 Absorpsi Hidrogen pada gaseous hydrogen Pada gambar 3.3 ditunjuk alat proses hydriding sampel yang digunakan untuk perpaduan hydrogen dengan zircaloy-4 Gambar 3.3 Proses Hydriding Komponen alat hydriding dehydriding 1. Gas hidrogen 2. Pompa vakum 3. Reservoir 4. Transmitter
20 5. Pembaca tekanan 6. Tungku (furrace) 7. Control tungku Selanjutnya, pada gambar 3.4 dibawah bagaimana material diletakkan pada alat hydriding yang akan diproses. Gambar 3.4 Sampel dimasukkan Pada gambar 3.5 adalah sampel yang sudah selesai proses hydriding dan yang tidak dihydriding, sampel yang dihydriding yaitu dengan suhu 500 c dan 600 c Gambar 3.5 Zircaloy-4 ketika selesai di hydriding
21 3.6 Metode Pengujian Kekerasan Kekerasan merupakan ketahanan suatu material terhadap penetrasi material lain atau dapat juga dikatakan ketahanan terhadap deformasi, dan untuk logam dengan sifat tersebut merupakan ketahanannya terhadap deformasi plastis atau deformasi permanen. Uji kekerasan standar dilakukan dengan menekankan identor dengan hatihati kepermukaan material secara tegak lurus (90 ). (anonimus, n.d). Proses pengujian kekerasan logam dapat diartikan sebagai kemampuan suatu bahan terhadap pembebanan dalam perubahan yang tetap, ketika gaya tertentu diberikan pada suatu material. Nilai kekerasan material tersebut dapt dianalisis dari besarnya beban yang diberikan terhadap luasan bidang yang menerima pembebanan. Secara garis besar terdapat tiga metode pengujian kekerasan logam yaitu penekanan, goresan, dan dinamik. (Nanulaitta, 2011). Untuk metode penekanan terdapat tiga jenis, yaitu : Rockwell, Brinell, Vickers yang memiliki perbedaan dalam cara menetukan kekerasannya. 3.6.1 Metode Rockwell Dalam metode ini penetrator ditekan dalam benda uji. Harga kekerasan didapat dari perbedaan kedalaman dari beban mayor dan minor. Metode ini sangat cepat dan cocok untuk pengujian missal. Karena hasilnya dapat secara langsung dibaca pada jarum penunjuk, maka metode ini sangat efektif untuk pengetesan massal. Uji kekerasan ini banyak digunakan disebabkan oleh sifat sifatnya yang cepat dalam pengerjaanya, mampu membedakan kekerasan pada baja yang diperkeras, ukuran relative kecil, sehingga bagian yang mendapat perlakuan panas dapat diuji kekerasannya tanpa menimbulkan kekerasan. Uji ini menggunakan kedalaman lekukan pada beban yang kosntan sebagai ukuran kekerasan.
22 Tabel 3.1 Skala Kekerasan Rockwell (Anonimus, n.d) Skala Beban Mayor (kg) Tipe Identor Tipe Specimen A 60 Intan Kerucut Sangat keras, tungsten, karrbida B 100 1/6 bola baja Kekerasan sedang, baja karbon rendah dan sedang, kuningan, perunggu C 150 Intan kerucut Baja keras, paduan yang dikeraskan, baja hasil tempering 3.6.2 Metode Brinell Metode ini pertama kali dilakukan oleh Brinell pada tahun 1900. Metode ini berupa pengidentasian sejumlah beban terhadap permukaan material dengan penetrator yang digunakan berupa bola baja yang dikeraskan dengan diameter 10 mm dan standar bebanya antara 0.97 s.d 3000 kgf. Pembebanan dilakukan dengan standar waktu, biasanya 30 detik.kekerasan yang diberikan merupakan hasil bagi beban penekan dengan luas permukaan lekukan bekas penekan dari bola baja. (sumber.kalogueloe.blogspot.co.id, 2013). Masing-masing metode memiliki kelebihan dan kekurangan dalam pengukuran kekerasan suatu permukaan material. Keuntungan metode Brinell adalah bila ada sedikit scratch tidak akan terlalu mempengaruhi hasil pengujian karena permukaan indentasinya yang luas. Namun metode ini memiliki kelemahan yaitu spesimen uji tidak boleh terlalu lunak,terlalu keras ataupun terlalu tipis. Karena apabila terlalu lunak dan tipis penekanan akan sampai kebawah permukaan spesimen dan bukan lagi mengukur kekerasan di permukaan. Selain itu tidak dapat mengukur kekuatan tiap fasa karena luas indentasi yang luas dan preparasi juga pengolahan yang lama.
23 Tabel 3.2 Standar Uji Brinell (ASTM E10) Diameter Bola Beban (kgf) Angka Kekerasan yang (mm) Disarankan (HB) 10 3000 96-600 10 1500 48-300 10 500 16-100 Gambar 3.6 Cara Pengukuran Diameter pada IdentorBrinell 3.6.3 Metode Vickers Sebagai parameter penting untuk mencirikan sifat-sifat mekanik dari material, uji kekerasanvickers telah digunakan dalam beberapa penelitian terkait dengan memprediksi kekerasan materialbaru yang super. (Moreira dkk, 2015) Prinsip Kerja dan cara/metoda pengujian Vickers A. persiapkan alat dan bahan pengujian a. mesin uji kekerasan Vickers (Vickers Hardness Test) b. indentor piramida intan (diamond pyramid) c. benda uji yang sudah di gerinda d. amplas halus e. stop watch f. mikroskop pengukur (biasanya satu set dengan alatnya).
24 B. indentor di tekankan ke benda uji/material dengan gaya tertentu. (rentang micro 10g 1000g dan rentang micro 1kg 100kg. C. tunggu hingga 10 20 detik (biasanya 15 detik ). D. bebaskan gaya dan lepaskan indentor dari benda uji. E. ukur 2 diagonal lekukan persegi (belah ketupat) yang terjadi menggunakan mikroskop pengukur. (ukur dengan teliti dan cari rata-ratanya). F. masukkandata-datatersebutkerumus. Setelah dijelaskan prinsip kerja pengujian microhardness pada gambar 3.4 dilihatkan bahwa bentuk indentor dan pengukuran d1 dan d2. Gambar 3.7 pengujian kekerasan vickers Rumus penghitungan pengujian metoda Vickers: (3.1) Dimana : VHN = Vickers Hardness Number P = Beban yang diberikan (kgf) d = Panjang diagonal rata-rata hasil indentasi
25 Kelebihan metoda Vickers : dianjurkan untuk pengujian material yang sudah di proses case hardening, dan proses pelapisan dengan logam lain yang lebih keras. tidak merusak karena hasil indentasi sangat kecil, dan biasanya bahan uji bisa dipakai kembali. Kekurangan metoda Vickers : Butuh ketelitian saat mengukur diameter lekukan hasil indentasi Lama, sekali pengujian bisa menyita waktu hingga 5 menit, belum termasuk persiapan dan perhitungannya. (anonimus, n.d).