Pengaruh Waktu Dry Mechanical Milling dan Heat Treatment Terhadap Mikrostruktur, Densitas dan Sifat Magnet dari NdFeB
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Bahan magnetik digunakan pada peralatan tradisional dan modern. Magnet
permanen telah digunakan manusia selama lebih dari 5000 tahun seperti medium
perekam pada komputer dan peralatan audio dan video. Dalam mendesain
peralatan magnetik, seperti head perekam pada disk drive komputer atau
transformator dalam sistem tenaga, kita harus mengetahui besarnya eksitasi yang
dibutuhkan untuk mendapatkan kekuatan medan magnet. (L.C.Shen, 2001).
Kebutuhan akan bahan magnet meningkat dengan pesat dalam beberapa
dekade belakangan ini. Perkembangan yang dramatis di bidang magnet ini terjadi
sejak ditemukannya bahan magnet permanen berbasis logam tanah jarang (rare
earth permanent magnets) seperti NdFeB, RECo, dan REFeB. Saat ini bahan
magnet permanen digunakan secara luas dalam berbagai aplikasi untuk mengubah
energi listrik menjadi energi mekanik atau sebaliknya. Tiga sifat penting yang
menggambarkan kinerja magnet permanen adalah induksi magnetik remanens
(Br), koersivitas (Hc), dan produk energi maksimum(BHmax). (E.Yuliati,2005).
Pada awalnya magnet permanen dibuat dari baja keras dan berbagai alloy,
misalnya ALNICO dari paduan logam Ni dan Co, kemudian berkembang dibuat
dari bahan keramik atau ferit dari oksida-oksida logam misalnya: Feroxdure
SrFe12O19 dan hexagonal ferit BaFe12O19. Bahan – bahan magnet tersebut
memiliki kemampuan menghasilkan (BH)max 3-20 MGOe dan medan magnet
koersifnya Hc sekitar 120 – 270. Kemudian pada tahun dua ribuan negara maju
mulai memanfaatkan bahan tanah jarang (Sm, Pd, Nd) sebagai bahan baku magnet
permanen, yang kemudian dikenal magnet tanah jarang, misalnya magnet Sm –
Co dan magnet Nd-Fe-B.
Magnet permanen sistem Neodymium Iron Boron (Nd-Fe-B) memiliki
keunggulan dibandingkan yang lainnya, yaitu memiliki energi produk maksimum
atau (BH)max yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan tipe magnet permanen
sebelumnya. (M.Ginting, 2006).
Universitas Sumatera Utara
Perkembangan magnet permanen saat ini sangat difokuskan untuk magnet
permanen energi tinggi. Salah satu bahan magnet permanen yang dapat
menghasilkan energi tinggi tersebut adalah dari jenis Re-Fe-B (Re = Nd, Pr).
Magnet permanen berjenis Re-Fe-B ini terbuat dari paduan logam tanah
jarang berjenis Neodymium atau Praseodymium, logam Besi, dan Boron dengan
fasa magnet Nd2Fe14B atau Pr2Fe14B yang memiliki struktur kristal tetragonal.
Kelebihan lain dari magnet permanen berbasis Re-Fe-B ini adalah memiliki
Induksi magnet saturasi yang tinggi mencapai 1,6 T atau 16 kG, dengan induksi
remanensi tertinggi saat ini mencapai 1,53 T atau 15,3 kG dalam bentuk sintered
magnet. (C.Kurniawan, 2013).
Magnet permanen jenis RE-Fe-B (RE = Nd, Pr) hingga saat ini merupakan
jenis magnet permanen yang memiliki kualitas terbaik dengan energi produk yang
mencapai 55 MGOe. Namun demikian, selain memiliki sifat magnet terbaik
tersebut, magnet berbasis RE-Fe-B tersebut memiliki kekurangan diantaranya
adalah temperatur Curie yang rendah dan rentan teroksidasi sehingga mudah
terkorosi. Rendahnya ketahanan korosi tersebut disebabkan adanya fasa RE-Rich
yang ada di batas butir (grain boundaries) dan merupakan zat aktif yang dapat
bereaksi dengan oksigen pada lingkungan yang humid. (C.Kurniawan,2013).
Magnet Neodymium Iron Boron (NdFeB) adalah magnet bumi yang
terbuat dari paduan unsur Neodymium, Besi dan Boron untuk membentuk struktur
kristal tetragonal Nd2Fe14B. Dikembangkan pada tahun 1982 oleh General Motors
dan Sumitomo Special Metals, magnet NdFeB adalah magnet permanen paling
kuat yang dibuat. (Fraden,2010).
Magnet permanen Neodymium-Iron-Boron (NdFeB) selalu menarik
banyak perhatian sejak ditemukan pada 1980-an karena kinerjanya yang sangat
baik. (J.Jin-Yun, 2014). Sehingga teknologi magnet untuk menghasilkan material
magnetik dengan kualitas tinggi sangat ditentukan oleh teknologi proses
materialnya pula. Untuk itu perlu dilakukan penelitian pembuatan magnet ini
karena magnet NdFeB memiliki kelebihan karena memiliki gaya tarik yang sangat
tinggi antara kutubnya dan sangat menguntungkan.
Universitas Sumatera Utara
Disamping itu, terdapat beberapa keunggulan dari sintered magnet antara
lain: produksi energi maksimum untuk ukuran magnet, induksi magnet remanen
(Br) kuat, dan densitas yang lebih baik daripada bonded magnet. (Steve,2006).
Dalam memenuhi kebutuhan magnet permanen, pada penelitian ini akan
dilakukan pembuatan magnet permanen sintered NdFeB dengan metode dry
milling dalam keadaan gas inert (gas N2) mengingat bahwa gas inert merupakan
gas yang tidak reaktif atau tidak mudah bereaksi sehingga dapat mencegah
terjadinya oksidasi dari lingkungan. NdFeB yang digunakan dalam bentuk Raw
Material yang belum memiliki sifat magnetik. Proses dry milling dilakukan
dengan memvariasikan waktu milling process untuk mendapatkan induksi
magnetik (B) tertinggi.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan uraian latar belakang masalah sebelumnya, maka penulis
merumuskan beberapa hal yang menjadi masalah dalam penelitian ini,
diantaranya:
1. Bagaimana pengaruh variasi waktu terhadap proses milling sampel NdFeB
dengan atmosfir gas inert (gas N2).
2. Bagaimana pengaruh waktu maksimal terhadap hasil milling dengan
menggunakan metode dry milling.
3. Bagaimana pengaruh metode dry milling terhadap mikrostruktur dan sifat
magnet NdFeB setelah proses milling.
1.3 Batasan Masalah
Adapun yang menjadi batasan masalah dalam penelitian ini antara lain:
1. Bahan baku NdFeB yang digunakan semula dalam bentuk serpihan kecil
(Raw Material ) yang kemudian dimilling menjadi serbuk NdFeB.
2. Gas inert yang digunakan saat proses milling adalah gas Nitrogen (N2).
3. Salah satu variabel utama yang mempengaruhi mikrostruktur dan sifat
fisis serta magnetik dari sampel adalah waktu milling. Dalam penelitian
ini dilakukan variasi waktu milling yaitu 8 jam, 16 jam, 24 jam dan 48 jam
dalam kondisi dry milling menggunakan media atmosfir gas inert.
Universitas Sumatera Utara
4. Parameter – parameter yang dianalisa antara lain : analisa ukuran partikel
serbuk NdFeB menggunakan PSA (Particle Size Analyzer ), analisa sifat
magnetik sampel NdFeB dengan menggunakan Gaussmeter, Vibrating
Sample Magnetometer (VSM) dan Permagraph, analisa struktur kristal
serbuk NdFeB dengan menggunakan XRD (X-Ray Diffracometer ) dan
pengamatan struktur mikro serbuk NdFeB dengan menggunakan SEM
(Scanning Electron Microscopy).
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan yang hendak dicapai dalam penelitian ini adalah:
1. Menguasai teknik preparasi serbuk serpihan NdFeB dengan cara dry
milling process menggunakan media atmosfir gas N2.
2. Mengetahui pengaruh variasi waktu milling NdFeB dengan metode dry
milling dalam kondisi gas inert terhadap ukuran partikel, mikrostruktur
dan sifat magnetiknya.
3. Mengetahui pengaruh suhu heat treatment terhadap kuat medan magnet
NdFeB (magnetic flux density).
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat yang dapat diperoleh dari penelitian ini antara lain:
1. Mendapatkan parameter-parameter proses preparasi serbuk NdFeB untuk
pembuatan magnet sinter NdFeB.
2. Mengetahui teknologi pembuatan magnet permanen NdFeB secara umum.
3. Mengetahui hubungan antara ukuran partikel dengan sifat magnetik
NdFeB.
1.6 Tempat Penelitian
Penelitian dilakukan di Laboratorium Magnet, Pusat Penelitian Fisika LIPI
Gd.440 Kawasan PUSPIPTEK Serpong, Desa Setu, Kecamatan Setu, Kota
Tangerang Selatan, Kode Pos 15310, Provinsi Banten, Indonesia.
Universitas Sumatera Utara
1.7 Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan pada masing – masing bab adalah sebagai berikut:
Bab I
Pendahuluan
Bab ini mencakup latar belakang penelitian, batasan
masalah yang akan diteliti, tujuan penelitian, manfaat
penelitian, tempat penelitian, dan sistematika penulisan.
Bab II
Tinjauan Pustaka
Bab ini akan membahas tentang landasan teori yang
menjadi acuan untuk proses pengambilan data, analisa data,
serta pembahasan.
Bab III
Metodologi Penelitian
Bab ini membahas tentang peralatan dan bahan penelitian,
diagram alir penelitian, prosedur penelitian, pengujian
sampel.
Bab IV
Hasil dan Pembahasan
Bab ini membahas tentang data hasil penelitian dan analisa
data yang diperoleh dari penelitian.
Bab V
Kesimpulan dan Saran
Bab ini berisikan tentang kesimpulan yang diperoleh dari
penelitian
dan
memberikan
saran
untuk
penelitian
selanjutnya.
Universitas Sumatera Utara
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Bahan magnetik digunakan pada peralatan tradisional dan modern. Magnet
permanen telah digunakan manusia selama lebih dari 5000 tahun seperti medium
perekam pada komputer dan peralatan audio dan video. Dalam mendesain
peralatan magnetik, seperti head perekam pada disk drive komputer atau
transformator dalam sistem tenaga, kita harus mengetahui besarnya eksitasi yang
dibutuhkan untuk mendapatkan kekuatan medan magnet. (L.C.Shen, 2001).
Kebutuhan akan bahan magnet meningkat dengan pesat dalam beberapa
dekade belakangan ini. Perkembangan yang dramatis di bidang magnet ini terjadi
sejak ditemukannya bahan magnet permanen berbasis logam tanah jarang (rare
earth permanent magnets) seperti NdFeB, RECo, dan REFeB. Saat ini bahan
magnet permanen digunakan secara luas dalam berbagai aplikasi untuk mengubah
energi listrik menjadi energi mekanik atau sebaliknya. Tiga sifat penting yang
menggambarkan kinerja magnet permanen adalah induksi magnetik remanens
(Br), koersivitas (Hc), dan produk energi maksimum(BHmax). (E.Yuliati,2005).
Pada awalnya magnet permanen dibuat dari baja keras dan berbagai alloy,
misalnya ALNICO dari paduan logam Ni dan Co, kemudian berkembang dibuat
dari bahan keramik atau ferit dari oksida-oksida logam misalnya: Feroxdure
SrFe12O19 dan hexagonal ferit BaFe12O19. Bahan – bahan magnet tersebut
memiliki kemampuan menghasilkan (BH)max 3-20 MGOe dan medan magnet
koersifnya Hc sekitar 120 – 270. Kemudian pada tahun dua ribuan negara maju
mulai memanfaatkan bahan tanah jarang (Sm, Pd, Nd) sebagai bahan baku magnet
permanen, yang kemudian dikenal magnet tanah jarang, misalnya magnet Sm –
Co dan magnet Nd-Fe-B.
Magnet permanen sistem Neodymium Iron Boron (Nd-Fe-B) memiliki
keunggulan dibandingkan yang lainnya, yaitu memiliki energi produk maksimum
atau (BH)max yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan tipe magnet permanen
sebelumnya. (M.Ginting, 2006).
Universitas Sumatera Utara
Perkembangan magnet permanen saat ini sangat difokuskan untuk magnet
permanen energi tinggi. Salah satu bahan magnet permanen yang dapat
menghasilkan energi tinggi tersebut adalah dari jenis Re-Fe-B (Re = Nd, Pr).
Magnet permanen berjenis Re-Fe-B ini terbuat dari paduan logam tanah
jarang berjenis Neodymium atau Praseodymium, logam Besi, dan Boron dengan
fasa magnet Nd2Fe14B atau Pr2Fe14B yang memiliki struktur kristal tetragonal.
Kelebihan lain dari magnet permanen berbasis Re-Fe-B ini adalah memiliki
Induksi magnet saturasi yang tinggi mencapai 1,6 T atau 16 kG, dengan induksi
remanensi tertinggi saat ini mencapai 1,53 T atau 15,3 kG dalam bentuk sintered
magnet. (C.Kurniawan, 2013).
Magnet permanen jenis RE-Fe-B (RE = Nd, Pr) hingga saat ini merupakan
jenis magnet permanen yang memiliki kualitas terbaik dengan energi produk yang
mencapai 55 MGOe. Namun demikian, selain memiliki sifat magnet terbaik
tersebut, magnet berbasis RE-Fe-B tersebut memiliki kekurangan diantaranya
adalah temperatur Curie yang rendah dan rentan teroksidasi sehingga mudah
terkorosi. Rendahnya ketahanan korosi tersebut disebabkan adanya fasa RE-Rich
yang ada di batas butir (grain boundaries) dan merupakan zat aktif yang dapat
bereaksi dengan oksigen pada lingkungan yang humid. (C.Kurniawan,2013).
Magnet Neodymium Iron Boron (NdFeB) adalah magnet bumi yang
terbuat dari paduan unsur Neodymium, Besi dan Boron untuk membentuk struktur
kristal tetragonal Nd2Fe14B. Dikembangkan pada tahun 1982 oleh General Motors
dan Sumitomo Special Metals, magnet NdFeB adalah magnet permanen paling
kuat yang dibuat. (Fraden,2010).
Magnet permanen Neodymium-Iron-Boron (NdFeB) selalu menarik
banyak perhatian sejak ditemukan pada 1980-an karena kinerjanya yang sangat
baik. (J.Jin-Yun, 2014). Sehingga teknologi magnet untuk menghasilkan material
magnetik dengan kualitas tinggi sangat ditentukan oleh teknologi proses
materialnya pula. Untuk itu perlu dilakukan penelitian pembuatan magnet ini
karena magnet NdFeB memiliki kelebihan karena memiliki gaya tarik yang sangat
tinggi antara kutubnya dan sangat menguntungkan.
Universitas Sumatera Utara
Disamping itu, terdapat beberapa keunggulan dari sintered magnet antara
lain: produksi energi maksimum untuk ukuran magnet, induksi magnet remanen
(Br) kuat, dan densitas yang lebih baik daripada bonded magnet. (Steve,2006).
Dalam memenuhi kebutuhan magnet permanen, pada penelitian ini akan
dilakukan pembuatan magnet permanen sintered NdFeB dengan metode dry
milling dalam keadaan gas inert (gas N2) mengingat bahwa gas inert merupakan
gas yang tidak reaktif atau tidak mudah bereaksi sehingga dapat mencegah
terjadinya oksidasi dari lingkungan. NdFeB yang digunakan dalam bentuk Raw
Material yang belum memiliki sifat magnetik. Proses dry milling dilakukan
dengan memvariasikan waktu milling process untuk mendapatkan induksi
magnetik (B) tertinggi.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan uraian latar belakang masalah sebelumnya, maka penulis
merumuskan beberapa hal yang menjadi masalah dalam penelitian ini,
diantaranya:
1. Bagaimana pengaruh variasi waktu terhadap proses milling sampel NdFeB
dengan atmosfir gas inert (gas N2).
2. Bagaimana pengaruh waktu maksimal terhadap hasil milling dengan
menggunakan metode dry milling.
3. Bagaimana pengaruh metode dry milling terhadap mikrostruktur dan sifat
magnet NdFeB setelah proses milling.
1.3 Batasan Masalah
Adapun yang menjadi batasan masalah dalam penelitian ini antara lain:
1. Bahan baku NdFeB yang digunakan semula dalam bentuk serpihan kecil
(Raw Material ) yang kemudian dimilling menjadi serbuk NdFeB.
2. Gas inert yang digunakan saat proses milling adalah gas Nitrogen (N2).
3. Salah satu variabel utama yang mempengaruhi mikrostruktur dan sifat
fisis serta magnetik dari sampel adalah waktu milling. Dalam penelitian
ini dilakukan variasi waktu milling yaitu 8 jam, 16 jam, 24 jam dan 48 jam
dalam kondisi dry milling menggunakan media atmosfir gas inert.
Universitas Sumatera Utara
4. Parameter – parameter yang dianalisa antara lain : analisa ukuran partikel
serbuk NdFeB menggunakan PSA (Particle Size Analyzer ), analisa sifat
magnetik sampel NdFeB dengan menggunakan Gaussmeter, Vibrating
Sample Magnetometer (VSM) dan Permagraph, analisa struktur kristal
serbuk NdFeB dengan menggunakan XRD (X-Ray Diffracometer ) dan
pengamatan struktur mikro serbuk NdFeB dengan menggunakan SEM
(Scanning Electron Microscopy).
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan yang hendak dicapai dalam penelitian ini adalah:
1. Menguasai teknik preparasi serbuk serpihan NdFeB dengan cara dry
milling process menggunakan media atmosfir gas N2.
2. Mengetahui pengaruh variasi waktu milling NdFeB dengan metode dry
milling dalam kondisi gas inert terhadap ukuran partikel, mikrostruktur
dan sifat magnetiknya.
3. Mengetahui pengaruh suhu heat treatment terhadap kuat medan magnet
NdFeB (magnetic flux density).
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat yang dapat diperoleh dari penelitian ini antara lain:
1. Mendapatkan parameter-parameter proses preparasi serbuk NdFeB untuk
pembuatan magnet sinter NdFeB.
2. Mengetahui teknologi pembuatan magnet permanen NdFeB secara umum.
3. Mengetahui hubungan antara ukuran partikel dengan sifat magnetik
NdFeB.
1.6 Tempat Penelitian
Penelitian dilakukan di Laboratorium Magnet, Pusat Penelitian Fisika LIPI
Gd.440 Kawasan PUSPIPTEK Serpong, Desa Setu, Kecamatan Setu, Kota
Tangerang Selatan, Kode Pos 15310, Provinsi Banten, Indonesia.
Universitas Sumatera Utara
1.7 Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan pada masing – masing bab adalah sebagai berikut:
Bab I
Pendahuluan
Bab ini mencakup latar belakang penelitian, batasan
masalah yang akan diteliti, tujuan penelitian, manfaat
penelitian, tempat penelitian, dan sistematika penulisan.
Bab II
Tinjauan Pustaka
Bab ini akan membahas tentang landasan teori yang
menjadi acuan untuk proses pengambilan data, analisa data,
serta pembahasan.
Bab III
Metodologi Penelitian
Bab ini membahas tentang peralatan dan bahan penelitian,
diagram alir penelitian, prosedur penelitian, pengujian
sampel.
Bab IV
Hasil dan Pembahasan
Bab ini membahas tentang data hasil penelitian dan analisa
data yang diperoleh dari penelitian.
Bab V
Kesimpulan dan Saran
Bab ini berisikan tentang kesimpulan yang diperoleh dari
penelitian
dan
memberikan
saran
untuk
penelitian
selanjutnya.
Universitas Sumatera Utara