BAB 2 LANDASAN TEORI - Efek Waktu Milling Menggunakan Hem (High Energy Milling) Pada Pembuatan Magnet Bonded Pr-Fe-B

BAB 2 LANDASAN TEORI

2.1 Pengertian Magnet Secara Umum

  Magnet dan kemagnetan adalah dua kata yang tidak dapat terpisahkan dalam membahas bahan magnet. Pembahasan mengenai kemagnetan suatu bahan selalu akan sangat menarik dan unik. Satu batangan magnet, selalu muncul dalam konfigurasi terpolarisasi magnet berpasangan yang sering dinotasikan sesuai dengan sistem kutub bumi, yakni kutub Utara dan kutub Selatan. Pada bahan magnet, polarisasi momen magnet tetap terjaga walaupun batangan magnet dipotong hingga bagian yang sangat kecil. Apabila dapat ‘masuk ke dalam atom’ maka akan terlihat bahwa spin momen elektron akan terpolarisasi secara berpasangan.

  Magnet atau magnit adalah suatu obyek yang mempunyai suatu medan magnet. Kata magnet (magnit) berasal dari bahasa Yunani magnítis líthos yang berarti batu Magnesian. Magnesia adalah nama sebuah wilayah di Yunani pada masa lalu yang kini bernama Manisa (sekarang berada di wilayah Turki) di mana terkandung batu magnet yang ditemukan sejak zaman dulu di wilayah tersebut.

  Magnet selalu memiliki dua kutub yaitu: kutub utara (north/ N) dan kutub selatan (south/ S). Beberapa benda bahkan tertarik lebih kuat dari yang lain, yaitu bahan logam. Namun tidak semua logam mempunyai daya tarik yang sama terhadap magnet. Besi dan baja adalah dua contoh materi yang mempunyai daya tarik yang tinggi oleh magnet.Sedangkan oksigen cair adalah contoh materi yang mempunyai daya tarik yang rendah oleh magnet. Satuan intensitas magnet menurut system metrik pada International System of Units (SI) adalah Tesla dan SI unit untuk total fluks magnetik

  2

  adalah weber. 1 weber/m = 1 tesla, yang mempengaruhi satu meter persegi.n Jenis magnet Magnet tetap Magnet tetap tidak memerlukan tenaga atau bantuan dari luar untuk menghasilkan daya magnet (berelektromagnetik).

  Jenis magnet tetap selama ini yang diketahui terdapat pada: 1.

  Neodymium Magnets, merupakan magnet tetap yang paling kuat 2. Samarium-Cobalt Magnets 3. Ceramic Magnet 4. Plastic Magnet 5. Alnico Magnet.

  Penggunaan magnet permanen dengan produk energi yang tinggi sangat sesuai dengan usaha miniaturisasi suatu produk teknologi, karena volume magnet yang diperlukan dapat diperkecil (Manaf, 2013).

  Suatu magnet permanen harus mampu menghasilkan densitas fluks,B magnet yang tinggi dari suatu volume magnet tertentu,stabilitas magnetic yang baik terhadap efek temperature dan waktu,serta memiliki ketahanan yang tinggi terhadap pengaruh demagnetisasi.Padaprinsipnya,suatu magnet permanen haruslah memiliki karakteristik minimaldengan sifat kemagnetan remanen,B r dan koersivitas intrinsic,H c serta

  c temperature Curie,T yang tinggi. Sifat fisis magnet PrFeB adalah seperti yang di tunjukkan pada:

Tabel 2.1 Sifat Fisis magnet PrFeB

  Residual Induksi,(Br) 9,40-9,80 Kg Produk Energy,(BH) max 14,3

• – 16,3 MGOe Koersitivitas Intrinsik Hci 6,6
• – 7,6 KOe Kekuatan Koersitivitas,(Hc) 5,5 KOe Medan Magnet >95%

  ≥ 20 KOe Koefisien Temperatur Br,α,pada 100°C

• 0,12 %/°C Koefisien Temperatur Hcl,β,pada 100°C
• 0,52%/°C Temperature Currie ,Tc 291 °C Temperature operasi Maximum 80-120 °C Temperature Proses Maximum 250 °C

  2.2 Medan Magnet

  Medan magnet adalah disekitar magnet yang masih merasakan adanya gaya magnet.Jika sebatang magnet di letakkan dalam suatu ruang,maka terjadi perubahan dalam ruangan ini yaitu dalam setiap titik dan ruang akan mendapat medan magnetic.Arah medan magnetic di suatu titik didefenisikan sebagai arah yang ditunjukkan oleh kutub utara jarum kompas ketika di tempatkan di titik tersebut.(Halliday & Resnick,1989)

  2.3 Bahan Magnetik

  Bahan magnetic adalah suatu bahan yang memiliki sifat kemagnetan dalam komponen pembentuknya.Berdasarkan prilaku molekulnya di dalam medan magnetic luar,bahan magnetic terdiri atas tiga katagori,yaitu diamagnetic,paramagnetic dan ferromagnetik.

  2.3.1 Feromagnetik

  Feromagnetik merupakan bahan yang memiliki nilai suseptibilitas magnetic

  

m Positif yang sangat tinggi.Dalam bahan ini sejumlah kecil medan magnetic luar dapat

  χ menyebabkan derajat penyerahan yang tinggi pada momen dipol magnetic atomnya.Dalam beberapa kasus,penyearahan ini dapat bertahan sekalipun medan pemagnetannya telah hilang.Ini terjadi karena momen dipol magnetic atom dari bahan- bahan feromagnetik ini mengarahkan gaya-gaya yang kuat pada atom tetangganya sehingga dalam daerah ruang yang sempit momen ini diserahkan ini disebut daerah magnetic.Dalam daerah ini,semua momen magnetic diserahkan,tetapi arah penyearahnya beragam dari daerah sehingga momen magnetic total dari kepingan mikroskopik bahan feromagnetik ini adalah nol dalam keadaan normal.(Willian,D.callister,Jr.materials,2003)

  2.3.2 Paramagnetik

  Bahan paramagnetic adalah bahan-bahan yang memiliki suseptibilitas magnetic

  

m yang positif dan sangat kecil.Paramagnetik muncul dalam bahan yang atom-atomnya

  χ memiliki momen magnetic permanen yang berinteraksi satu sama lain secara sangat lemah.Apabila tidak terdapat medan magnetic luar,momen magnetic ini akan berinteraksi secara acak.Dengan daya medan magnetic luar,momen magnetic ini arahnya cenderung sejajar dengan medannya,tetapi ini dilawan oleh kecenderungan momen untuk berorientasi acak akibat gerakan termalnya.Perbandingan momen yang menyearahkan dengan medan ini bergantung pada kekuatan medan dan pada temperaturnya.Pada medan magnetic luar yang kuat pada temperature yang sangat rendah, hampir seluruh momen akan diserahkan dengan medannya.(Willian,D.callister,Jr.materials,2003).

  2.3.3 Diamagnetik

  Bahan diamagnetic merupakan bahan yang memiliki nilai suseptibilitas negative medan induksi dari magnet tersebut menginduksi momen magnetic pada bismuth pada arah yang berlawanan dengan medan induksi pada magnet.(Willian,D.callister,Jr.materials,2003)

2.4 Histerisis Magnet

  Magnet biasanya dibagi atas dua kelompok : magnet lunak dan magnet keras.Magnet keras dapat menarik bahan lain yang bersifat magnet.Selain itu sifat kemagnetannya dapat di anggap cukup kekal.Magnet lunak dapat bersifat magnetic dan dapat menarik magnet lainnya,namun hanya berada dalam medan magnet.Sifat kemagnetannya tidak kekal.

  Perbedaan antara magnet permanen atau magnet keras atau magnet lunak dapat dilakukan dengan menggunakan loop histerisis yang telah dikenal seperti pada gambar

  2.1. Bila bahan magnet berada dalam medan magnet,H “garis gaya yang berdekatan” akan tertarik ke dalam bahan tersebut sehingga rapat fluks meningkat.Dikatakanbahwa,induksimagnet,Bmeningkat.Dengansendirinya,jumlahind uksi tergantung pada medan magnet dan jenis bahan.Pada contoh gambar 2.1, rasio B/H tidak linear,terjadi lompatan induksi mencapai level yang tinggi,kemudian rasio tersebut hamper konstan dalam medan yang lebih kuat.

Gambar 2.1 kurva magnetisasi.(a) Induksi awal B versus medan magnet H,(b) Loop

  Baik induksi remanen (rapat fluks) dan medan koersif,B dan

• –Hc,masing- masing,besar untuk magnet keras.Hasil perkalian BH merupakan patokan untuk ukuran energy demagnetisasi.

  Pada magnet lunak,terjadi penurunan kembali yang hamper sempurna jika medan magnet ditiadakan.Medan magnet bolak-balik akan menghasilkan kurva simetris di kuadran ketiga.Kurva histerisis magnet permanen sangat berbeda,bila medan magnet di tiadakan induksi tersisa akan menghasilkan induksi remanen,Br.Medan yang berlawanan yang disebut medan koersif,-Hc,diperlukan sebelum induksi turun menjadi nol,sama dengan magnet lunak loop tertutup,akan tetapi magnet permanen memiliki simetri 180 °C.

  2 Karena hasil kali medan magnet (A/m) dan induksi (V.det/m ) merupakan

  energy per satuan volume,luas daerah hasil integrasi di dalam loop histeris adalah sama dengan energy yang di perlukan untuk satu siklus magnetisasi mulai dari nol sampai

• H hingga
• –H sampai 0.Energi yang dibutuhkan magnet lunak dapat di abaikan,akan tetapi magnet permanen memerlukan energy lebih banyak sehingga pada kondisi ruang demagnetisasi dapat diabaikan.Dikatakan magnetisasi permanen.

  Magnet permanen dapat diberi indeks berdasarkan medan koersif yang di perlukan untuk menghilangkan induksi.Patokan ukuran yang lebih baik adalah hasil kali BH.Hasil kali sesaat BH maksimum lebih sering di gunakan karena merupakan barrier energy krisis yang harus di lampaui.Magnet lunak merupakan pilihan tepat untuk penggunaan pada arus bolak-balik atau frekuensi tinggi,karena harus mengalami magnetisasi dan demagnetisasi berulang kali selama selang satu detik.Spesifikasi yang agak kritis untuk magnet lunak adalah induksi jenuh (tinggi),medan koersif (rendah),dan permeabilitas maksimum (tinggi).

2.5 Mechanical milling

  Penggilingan mekanik adalah suatu proses penggilingan bola di mana suatu karena metode ini disamping memiliki beberapa keunggulan untuk skala komersial,diantaranya metode ini sangat sederhana,murah dan loss dari produk yang dihasilkan sangat kecil sehingga sangat efektif untuk kapasitas yang relative besar,juga merupakan metode pencampuran yang dapat menghasilkan produk yang sangat homogen.Proses milling di sini dilakukan bertujuan di samping akan memperoleh campuran yang homogen juga dapat memperoleh partikel campuran yang relative kecil sehingga di harapkan sifat magnetic dari bahan PrFeB.(F.Izumi,2012).

2.5.1 Komponen Pada proses penggilingan

  Untuk melakukan proses penggilingan ,ada empat komponen penting yang harus di perhatikan,yaitu: bahan baku,bola giling,wadah penggilingan dan alat penggiling bola.

  a. Bahan Baku

  Bahan baku yang digunakan dalam proses penggilingan adalah serbuk.Ukuran serbuk yang di gunakan umumnya berkisar antara 1 µm

• – 200 µm.Semakin kecil ukuran partikel serbuk yang digunakan,maka proses penggilingan akan semakin efektif dan efisien.Selain itu serbuk yang di gunakan juga harus memiliki kemurnian yang sangat tinggi.(C.Suryanarayana,2001).

  b. Bola Gilling

  Fungsi bola gilling dalam proses penggilingan adalah sebagai penghancur campuran serbuk.Oleh karena itu,material pembentuk bola gilling harus memiliki kekerasan yang sangat tinggi agar tidak terjadi kontaminasi saat terjadi benturan dan gesekan antara serbuk,bola dan wadah penggilingan.Material yang dapat di gunakan untuk melakukan proses tersebut antara lain:baja tahan karat,baja karbon,baja perkakas dan baja kromium.(C.Suryanarayana,2001). dipadu.Bola yang akan di gunakan harus memiliki diameter yang lebih besar dibandingkan dengan diameter serbuknya.(C.Suryanarayana,2001).

  c.

  Wadah Penggilangan Wadah penggilingan merupakan media yang digunakan untuk menahan gerakan bola-bola giling dan serbuk ketika proses penggilingan berlangsung.Akibat yang di timbulkan dari proses penahanan gerak bola-bola giling dan serbuk tersebut adalah terjadinya benturan antara bola-bola giling,serbuk dan wadah penggilingan sehingga menyebabkan terjadinya proses penghancuran serbuk.(C.Suryanarayana,2001).

  Jika material yang di gunakan sebagai wadah penggilingan sama dengan material serbuk yang akan digiling,maka proses penghancuran serbuk tidak akan efektif dan efesien karena kedua material tersebut memiliki kekerasan yang sama.Sedangkan jika kedua material tersebut memiliki kekerasan yang berbeda maka akan terjadi kontaminasi pada material serbuk yang akan di giling.(C.Suryanarayana,2001).

  Untuk menghindari terjadinya kontaminasi serbuk akibat benturan yang terjadi selama proses penggilingan berlangsung,maka material yang di gunakan sebagai wadah harus memiliki kekerasan yang lebih tinggi di bandingkan dengan kekerasan material serbuknya.Material yang dapat di gunakan sebagai wadah penggilingan antara lain : Baja perkakas,baja kromium dan baja tahan karat.(L.lu.M.O lax,1998).

  Kontaminasi serbuk juga dapat terjadi akibat perbedaaan jenis material yang di gunakan sebagai wadah penggilingan dan bola penggiling.Untuk menghindari hal ini,material wadah penggilingan dan bola penggiling yang di gunakan terbuat dari jenis material yang sama.(C.Suryanarayana,2001). Jika menggunakan jenis material yang berbeda,usahakan kekerasan kedua material

  Gambar 2.2Bola giling dan wadah penggilingan

2.5.2 Alat Penggiling bola

  Ada beberapa jenis alat penggiling bola dapat di gunakan untuk melakukan proses panggilingan,antara lain:Planetary ball mill,conventional horizontal ball

  

mill,horizontal ball mill controlled by magnetic force,atritor mill dan shaker ball

(L.lu.M.O lax,1998). mill.

  Alat-alat penggiling bola tersebut terus di kembangkan untuk meningkatkan keefektifan dan efisiensinya dalam proses penggilingan.HEM-3D,merupakan salah satu jenis shaker ballmill,merupakan generasi termutakhir alat penggiling bola yang dapat melakukan proses penggilingan dengan tingkat efektifitas dan efesiensi yang tinggi.

a. HEM-3D

Gambar 2.3 HEM-E3DGambar 2.3 High Energy Mill-Elips 3 Dimentions

  HEM-3Dadalah singkatan dari High Energy Mill-Elips 3 Dimentions.HEM- E3D merupakan alat penggiling bola yang digunakan untuk melakukan proses penggilingan serbuk berskala kecil dalam laboraturium.Spesifikasi HEM-E3D tampak pada tabel berikut ini.

  Tabel 2.2.Spesifikasi HEM-E3D

  Sfesifikasi Nilai

  Dimensi 75 cm x 60 cm x 40 cm Berat 63 kg (tanpa wadah penggilingan) Sumber Daya 380 volt Daya Motor 0,5 PK Kecepatan Motor 0 rpm

• – 500 rpm b.

   Prinsip kerja HEM-E3D

  Dalam proses penggilingan,HEM-E3D bekerja dengan cara menghancurkan campuran serbuk melalui mekanisme pembenturan bola-bola giling yang bergerak mengikuti pola gerakan wadahnya yang berbentuk elips tiga dimensi inilah yang memungkinkan pembentukan partikel-pertikel serbuk berskala nanometer akibat tingginya frekuensi tumbukan.Tingginya frekuensi tumbukan yang terjadi antara campuran serbuk dengan bola-bola giling di sebabkan karena wadah yang berputar dengan kecepatan tinggi,yaitu mencapai 500rpm,dan bentuk bola gerakan yang berbentuk elipstiga dimensi tersebut.Prinsip kerja HEM-E3D tampak pada gembar berikut ini.

Gambar 2.4. Prinsip kerja HEM-E3D (Nurul T.R.Agus S.W.Alfian N.Wahyu B.W.Suryadi.Djanjani,2007).

2.5.3 Parameter Proses Pada saat penggilingan

  Parameter proses yang harus di perhatikan pada proses penggilingan antara lain: kecepatan dan waktu penggilingan,perbandingan berat bola terhadap berat serbuk,volume pengisian wadah penggilingan,atmosfer penggilingan process control agent dan temperature penggilingan.

  a. Percepatan dan waktu penggilingan

  Semakin cepat proses penggilingan,maka semakin cepat pula proses penghancuran campuran serbuk.Namun jika kecepatan penggilingan terlalu tinggi,maka temperature komponen-komponen pada proses penggilingan akan meningkat.(C. suryanarayana,2001).

  b. Perbandingan berat bola terhadap berat serbuk

  Untuk skala kecil atau laboratorium,umumnya perbandingan bola terhadap berat serbuk yang di gunakan sekitar 10:1, 10 gr bola dan 1 gram serbuk,sedangkan untuk skala besar atau industry,jumlah perbandingan berat bola terhadap berat serbuk yang digunakan dapat mencapai 100:1.Semakin tinggi jumlah perbandingan berat bola terhadap berat serbuk yang di gunakan,maka frekuensi benturan juga semakin singkat.(c. suryanarayana,2001)

  Proses penggilingan dilakukan dengan menggunakan High Energy Milling

• – Ellips 3 Dimention (HEM-3D) buatan Laboraturium Material Lanjut dan Nanoteknologi Pusat Penelitian Fisika Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia.

  Wadah penggilingan yang di gunakan terbuat dari baja kromium,sedangkan bola giling yang di gunakan terbuat dari besi baja.Ukuran bola giling yang di gunakan yaitu bola giling kecil berdiameter 5 mm dengan berat 0,5 gram.Perbandingan antara berat bola giling terhadap berat serbuk dalam wadah penggiling yang di gunakan sebesar 10 : 1.Berat bola giling adalah 150 gram sedangkan jumlah serbuk adalah 15 gram.Proses penggilingan di lakukan dalam udara.

  2.6Celuna (WE-518)

  Celuna (WE-518) dengan nama kimia etil selulosa merupakan erer selulosa yang di buat dengan mereaksikan etil klorida dengan alkali selulosa (Wallace,1990).Celuna (WE-518) yang digunakan berbentuk cairan putih,kental,tidak berbau,tidak berasa,sering di gunakan sebagai bahan pengikat yang bersifat mudah mengalir sehingga dapat berfungsi sebagai filler-binder (Anonim,1994).

  2.7 Pengukuran Densitas

  Pengukuran densitas di sini di lakukan dengan alat picknometer

Gambar 2.5 Picknometer brukuran 10 ml Massa jenis sebuah sampel berbertuk serbuk sama dengan massa serbuk dibagi volume yang ditempati serbuk.(Teresa p.Santos,M,Fatima Vas,moises L.Pinto,Ana P,carvalho.2012). Secara matematis

  (1) ρ = Dimana:

  ρ = Densitas (gram/cm³) m = Massa sampel (gram) v = Volume sampel (cm³)

  Secara umum,densitas suatu bahan yang bergantung pada factor lingkungan seperti suhu dan tekanan.(Young D.Hugh,2002) Dalam pelaksanaannya kadang-kadang sampel yang diukur mempunyai ukuran bentuk yang tidak teratur sehingga untuk menentukan volumenya menjadi sulit,akibatnya nilai kerapatan yang di peroleh tidak akurat.Untuk menentukan rapat massa (bulk density) dari suatu bahan mengacu pada standart (ASTM C 373).Oleh karena itu untuk menghitung nilai densitas suatu material yang memiliki bentuk yang tidak teratur di gunakan metode Archimedes yang persamaannya sebagai berikut:

  air

  (2) ρ = x ρ

  −

  Dengan : ρ = Densitas Sampel (gr/cm³)

  air = Densitas air (gr/cm³)

  ρ

2.8Scanning Electron Microscope (SEM)

Gambar 2.6 Secanning Electron Microscope (SEM)Gambar 2.6 Scanning Electron Microscope (SEM)

  Scanning Electron Microscope (SEM) merupakan alat yang di gunakan untuk pengamatan struktur mikro bahan.Alat ini mempunyai perbesaran antara 20x sampai 30.000x.SEM dapat di gunakan untuk menggambarkan secara detail struktur mikro seluas nm dari bagian sel.Pengamatan srtuktur mikro dari SEM dapat menggambarkan dalam bentuk tiga dimensi.Alat ini umumnya di gunakan untuk karakterisasi susunan serbuk dan melihat retakan pada permukaan sampel.Mikroskop electron adalah alat optic yang dapat di gunakan untuk mengamati benda berukuran kecil (mikro).Pancaran berkas electron yang di tembakkan pada sampel akan berinteraksi dengan atom-atom atau electron dari sampel.

  SEM menggunakan prinsip “Scanning” sesuai dengan namanya.Maksudnya ialah bahwa berkas electron diarahkan dari titik ke titik yang lain pada suatu daerah

  Gerakan scanning tersebut ditimbulkan oleh scanning coil sedangkan pantulan dideteksi oleh foto mulfier.Data sinyal dari suatu titik sampel ke titik yang lain di perkuat oleh video amplifier dan selanjutnya setelah disinkronkan oleh scanning circuit di gambarkan pada layar CRT (Cathode Ray Tube).Layar CRT yang di gunakan pada SEM merupakan CRT dengan daya pisah yang sangat tinggi.(Eko Sulisto,2005).

2.9Analisa Fasa dengan Difraksi Sinar-X –

Gambar 2.7 Difraksi SinarGambar 2.7 X-ray Difraction

  Difraksi sinar

• –x adalah alat yang dapat memberikan data-data difraksi kuantitas intensitas difraksi pada sudut-sudut difraksi pada suatu bahan.Sinar x adalah bentuk radiasi gelombang elektromagnetik yang di pancarkan dari tabung sinar x dengan panjang gelombang ƛ,kemudian di tembakkan mengenai sampel yang tepat pada pusat gencometer dan terdifraksi menurut hukum Bragg.

Suatu be rkas sinar x yang panjang gelombangnya ƛ jatuh pada Kristal dengan sudut Ɵ terhadap permukaan bidang Bragg yang jaraknya d.Seberkas sinar mengenai atom A pada bidang pertama dan atom B pada bidang berikutnya,dan masing-masing menghambur sebagai berkas tersebut dalam arah rambang.Interfensi konstruktif hanya terjadi antara sinar terhambur yang sejajar beda jarak jalannya tepat ƛ,2ƛ,3ƛ,dan sebagainya.Jadi beda jarak jalan harus nƛ,dangan n menyatakan bilangan bulat.(Eko Sulisto,2005).

  Metoda difraksi merupakan salah satu metode yang banyak digunakan untuk menganalisis struktur Kristal.Sumber yang di gunakan dapat berupa sinar x,electron atau neutron,bergantung pada berat atom-atom yang akan di analisis.Neotron biasanya digunakan untuk menganalisis atom-atom yang ringan sedangkan sumber sinar X dapat mengahasilkan informasi yang cukup akurat untuk atom-aton berat.Sifat-sifat bahan di teliti dapat diketahui dari data yang di peroleh dari analisis struktur Kristal menggunakan metode difraksi. (Herawati,2011)

2.10 Reaksi kimia

  Reaksi kimia yang terjadi pada proses milling yaitu: Karena besi sangat mudah bereaksi dengan oksigen maka saat proses milling terdapat

2 O seperti yang di tunjukkan pada reaksi di bawah ini:

  Energi + Pr

  2 Fe

  14 B Pr

  

2 Fe

  14 B + O

  2 Pada saat penggilingan terjadi panas,sehingga bahan teroksidasi.

  Karena pada jar HEM (High Energy Milling) menggunakan bahan yang mengandung cobalt maka terjadi reaksi sebagai berikut: Pr

  2 Fe

  14 B + Co Pr

  2 Fe 11,2 BCo 2,8

  Gambar struktur heksagonal pada PrFeB