Efek Penambahan Al
2O
3-TiO
2Pada Densitas dan Kekerasan Magnet
Permanen BaO.6Fe
2O
3EKO ARIEF SETIADI1), PERDAMEAN SEBAYANG1), ALDI SETIA UTAMA2), RAMLAN2) 1)Pusat Penelitian Fisika, LIPI, Kompleks PUSPIPTEK, Serpong, Tangerang Selatan, Banten
E-mail: [email protected]
2)Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya, Indralaya, Ogan Illir, Sumatera Selatan
ABSTRAK:Pembuatan magnet permanen BaO.6Fe2O3 dengan penambahan aditif Al2O3-TiO2(0;
0,6; 1,0 dan 1,5 %wt) telah dilakukan. Pencampuran serbuk dilakukan dengan metode pemaduan mekanik. Campuran serbuk dikompaksi menjadi pellet dengan tekanan 3500kgF/cm2 dan
disintering pada suhu 1150OC selama 2 jam. Hasil karakterisasi XRD menunjukkan fasa
dominan BaO.6Fe2O3 dengan struktur heksagonal. Hasil pengukuran densitas menunjukkan
semakin banyak aditif yang ditambahkan nilai bulk density semakin besar dengan susut bakar (linear skrinkage) yang cenderung menurun. Hasil pengukuran kekerasan dengan metode vicker menunjukkan semakin tinggi densitas nilai kekerasannya juga semakin meningkat. Berdasarkan hasil analisa kurva histeresis menunjukkan bahwa sampel tergolong magnet keras (hard magnet).
Kata Kunci: Magnet permanen BaO.6Fe2O3, densitas, kekerasan, Al2O3-TiO2
PENDAHULUAN
Magnet permanen merupakan salah satu komponen penting yang sering digunakan dalam berbagai bidang baik untuk industri skala besar maupun industri rumah tangga. Contohnya untuk motor listrik, generator, penyerap gelombang mikro, meteran air, dan media penyimpan data (Tudorache et al, 2012; Sharma et al, 2014; Sebayang et al, 2011). Salah satu magnet permanen yang sering digunakan adalah barium heksaferit (BaO.6Fe2O3). Barium heksaferit merupakan bahan magnet permanen dengan koersivitas besar, saturasi tinggi dan medan magnet anisotropi tinggi (Meng et al, 2014). Bahan ini telah banyak dipakai dan dikembangkan karena memiliki banyak kelebihan, diantaranya yaitu harganya yang relatif murah dibanding magnet tanah jarang, memiliki suhu curie yang tinggi, tahan terhadap korosi, memiliki sifat fisis yang baik dan pembuatannya yang relatif mudah (Nowosielskie et al, 2007). Barium heksaferit dapat disintesis dengan beberapa metode seperti hidrotermal, sol-gel, pemanduan mekanik dan kopresipitasi (Liu et al, 2016; Wannawong et al, 2013).
Pada penelitian ini dilakukan pembuatan magnet permanen barium heksaferit dengan metode perpaduan mekanik. Metode ini dipilih karena sederhana dan mudah dilakukan untuk produksi dalam jumlah besar. Untuk mengontrol sifat magnetiknya, sering kali digunakan bahan aditif dengan kandungan Al, Ti, Mn, Mg dan bahan lain. Pada penelitian ini dilakukan pembuatan magnet permanen BaO.6Fe2O3 dengan menambahkan TiO2 dan Al2O3 sebagai aditif. Al2O3 dan TiO2 memiliki sifat keras, banyak di alam dan memiliki titik leleh lebih tinggi yaitu masing-masing 1840 dan 2072oC. (Osterman, et al, 2010). Pengaruh penambahan bahan aditif terhadap nilai densitas, kekerasan dan sifat magnetik magnet permanen yang dihasilkan akan dipelajari sehingga dapat diperoleh magnet permanen optimum untuk aplikasinya.
METODE PENELITIAN
SEMINAR
NASIONAL
JURUSAN
FISIKA
FMIPA UM 2016
Tabel 1. Komposisi BaO.6Fe2O3dan aditif pada sampel
Kode
Ketiga bahan tersebut dicampur dan dimilling selama 2 jam dengan media toluen. Setelah selesai milling kemudian dikeringkan selama 24 jam pada suhu 100ºC dalam furnace. Setelah kering, campuran serbuk kemudian dicetak denganmagnetic field press
dengan tekanan 3500 kgF/cm2 hingga menjadi pellet. Pellet kemudian disinter pada suhu 1150ºC pada furnace. Densitas sampel sebelum dan sesudah sinter diukur dengan prinsip Archimedes (ASTM C373-88-2006), dengan densitas sebelum disinter sebagai
green density dan sesudah disinter sebagaibulk density. Setelah selesai disinter sampel diuji kekerasannya dengan Micro Hardness Tester (Leco ML 100AT) dengan metode vicker. Sampel juga diuji fasa dan morfologi dengan X-Ray Diffraction (Rigaku SmartLab) dan Scanning Electron Mycroscopi (Hitachi SU 3500). Sampel kemudian dimagnetisasi dengan impuls magnetizer (Magnet physics Dr Steingover GmbH) dan diuji sifat kemagnetannya dengan permagraf (Magnet physics Dr Steingover GmbH).
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dipelajari sifat kekerasan, densitas dan sifat magnet dari magnet permanen BaO.6Fe2O3yang telah ditambahkan adtif TiO2-Al2O3. Hasil preparasi serbuk dengan penambahan aditif sebesar 0; 0,6; 1,0 dan 1,5 %wt yang di-millingselama dua jam dikeringkan dan dicetak menjadi pellet. Densitas keempat sampel kemudian diukur sebagai green densitypellet. Hasil pengukurangreen density ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Green Density Sampel BaO.6Fe2O4dengan penambahan aditif Al2O3-TiO2
Hasil pengukuran menunjukkan semakin besar penambahan aditif (TiO2-Al2O3) nilai green density semakin menurun. Namun penurunan yang terjadi tidak terlalu signifikan sehingga dapat dikatakan sebelum dilakukan proses sinter densitas sampel relatif sama yakni pada kisaran 2,9 g/cm2. Pada proses ini efek penambahan TiO2-Al2O3 tidak terlalu terlihat.
Keempat sampel selanjutnya disinter pada suhu 1150ºC, kemudian densitas sampel
Gambar 2. Bulk Density Sampel BaO.6Fe2O4dengan penambahan aditif Al2O3-TiO2
Hasil analisis bulk density menunjukkan bahwa semakin besar konsentrasi aditif maka nilaibulk densitysemakin tinggi. Hal ini terjadi karena adanya proses densifikasi. Adanya aditif TiO2-Al2O3 yang memiliki titik leleh tinggi telah mengisi pori pada sampel, sehingga nilai densitas meningkat seiring dengan peningkatan konsentrasi aditif yang ditambahakan. Nilai bulk density setelah densifikasi sangat dipengaruhi oleh suhu sinteringdan komposisi (Setiadi et al, 2016). Nilai density tertinggi diperoleh pada konsentrasi aditif 1,5 %wt dengan nilai 4,93 g/cm2. Apabila dilihat perubahan densitas dari green density ke bulk density dapat dihitung nilai susut bakar (linear skrinkage) sampel akibat sineting. Hubungan nilai susut bakar terhadap penambahan aditif ditunjukkan pada gambar 3.
Gambar 3. Susut bakar (linear skrinkage) BaO.6Fe2O4dengan penambahan Al2O3-TiO2
Berdasarkan gambar 3 menunjukkan bahwa semakin tinggi konsentrasi aditif yang ditambahkan maka susut bakarnya semakin menurun. Hal ini terjadi karena aditif TiO2-Al2O3 merupakan bahan dengan titik lebur tinggi sehingga semakin banyak konsentrasi maka jumlah massa yang menyusut semakin kecil.
SEMINAR
NASIONAL
JURUSAN
FISIKA
FMIPA UM 2016
puncak bidang menuju 2 lebih besar (ke kanan) tiap penambahan konsentrasi. Hal ini diprediksi adanya substitusi ion Al dan atau Ti menggantikan ion Fe, sehingga tidak terlihat puncak fasa TiO2 dan Al2O3 dalam pola spectra hasil uji XRD. Ketidak adanya fasa TiO2 dan Al2O3 ini juga dimungkinkan karena terjadinya perubahan fasa aditif tersebut menjadi amorf, mengingat semakin bertambahnya konsentrasi aditif ketinggian puncak-puncak bidang semakin menurun. Akan tetapi terjadinya substitusi dan perubahan aditif menjadi amorf ini masih perlu dianalisa lebih lanjut untuk membuktikannya.
Gambar 4. Pola XRD Sampel BaO.6Fe2O4dengan penambahan aditif Al2O3-TiO2
Gambar 5. Morfologi SEM Sampel B (penambahan aditif 0,6%wt)
Gambar 6. Kekerasan Sampel BaO.6Fe2O4dengan penambahan aditif Al2O3-TiO2
Hasil analisa sifat kemagnetan dari kurva histeresis pengujian permagraf ditunjukkan pada Gambar 7. Berdasarkan analisis kurva histeresis yang diukur pada sampel A (tanpa aditif) dan sampel D (penambahan aditif 1,5 %wt) menunjukkan bahwa penambahan aditif sampai 1,5%wt menyebabkan nilai saturasi menurun dari 2,96 kG menjadi 2,68 kG begitu juga remanennya dari 2,03 kG menjadi 1,77 kG. Hal ini terjadi karena sifat dari TiO2 dan Al2O3 yang merupakan bahan non magnetik sehingga ketika ditambahkan ke dalam bahan ferromagnetik maka momen magnet total berkurang maka pada pengukuran saturasi dan remanen akan cenderung menurun. Sedangkan pada hasil analisa koersivitas menunjukkan penambahan aditif menyebabkan nilai koersivitasnya pun menurun dari 1,68 kOe menjadi 1,51 kOe. Hal ini disebabkan karena dengan adanya aditif menyebabkan konstanta anisotropinya berubah dan ketahanan oleh pengaruh medan magnet luar juga berubah. Beberapa faktor yang dapat mempengaruhi sifat kemagnetan adalah fasa material, adanya fasa lain (fasa non-magnetik) dan ukuran butir (Suharyadi et al, 2014). Meskipun nilai koersivitas magnet permanen yang dihasilkan semakin kecil ketika ditambah aditif TiO2-Al2O3, tetapi nilai koersivitasnya masih tergolong sebagai magnet keras (hard magnet).
SEMINAR
NASIONAL
JURUSAN
FISIKA
FMIPA UM 2016
KESIMPULAN
Magnet permanen barium heksaferit (BaO.6Fe2O3) telah berhasil dibuat dengan penambahan aditif TiO2-Al2O3 dengan konsentrasi 0; 0,6; 1,0 dan 1,5 %wt dengan metode pemaduan mekanik. Hasil analisa XRD menunjukkan keempat sampel memiliki fasa dominan BaO.6Fe2O3 dan tidak terdapat fasa baru. Hasil pengukuran densitas menunjukkan penambahan aditif dari 0 sampai 1,5 menyebabkan peningkatan bulk density dari 4,64 ke 4,93 g/cm2. Sedangan nilai kekerasannya juga meningkat seiring dengan peningkatan densitas sampel dari 4858 ke 6589 MPa. Sedangkan dari analisa sifat kemagnetan menunjukkan penambahan aditif menyebabkan nilai koersivitas, saturasi dan remanen menjadi menurun, tetapi masih tergolong sebagai hard magnet.
UCAPAN TERIMA KASIH
Terima kasih kami sampaikan kepada Pusat Penenlitian Fisika LIPI atas fasilitas dan kesediaannya untuk mendanai penelitian ini melalui program DIPA 2016.
DAFTAR PUSTAKA
Biruu, A.K., Shiva, K., David, S.G.S., 2015.Study on Density and Hardness of Reinforced Zinc Oxide, Proceedings 2 Materials Today, 4402
Liu, Y, Drew, M.G.B., Liu, Y., 2011. Preparation and Magnetic Properties of Barium Ferrites Aubstituted with Manganese, Cobalt and Tin., J. Magn. Magn. Mater, vol. 323, no. 7, 945
Meng, Y.Y., He, M.H., Zeng, Q., Jiao, D.L., Shukla, S., Ramanujan, R.V., Liu, Z.W., 2014.
Synthesis of Barium Ferrite Ultrafine Powders by Sol-gel Combustion Method Using Glycine Gels, J. Alloys Compd, vol. 583, 220.
Nowosielski, R., Babilas, R., Wrona, J., 2007. Microstucture and Magnetic Properties of Commercial Barium Ferrite Powders, J. Achiev. Mater. Manuf. eng., vol. 20, no. 1-2, 307.
Osterman, V., Antes Jr., H., 2010.Critical Melting Points an Reference Data for Vacuum Heat Treating.Solar Atmospheres Inc., California.
Sebayang, P., Muljadi, Adi, W.A, 2011, Kajian Struktur Mikro terhadap Sifat Magnetik pada Magnet Permanen Ba0.6Fe2O3, TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan
Teknologi,vol. 29, no 2, 55
Setiadi, E.A., Sari, F.P., Sari, A.Y., Ramlan, Sebayang, P., 2016. Mikrostruktur dan Sifat Kemagnetan BaFe12O19dengan Aditif MgO-Al2O3, Widyariset, vol.2, no. 1, 1.
Sharma, M., Kashyap, S.C., Gupta, H.C., 2014, Effect of Mg-Zr Substitution and Microwave Prosessing on Magnetic Properties of Barium Hexaferrite, Physica B, 24. Suharyadi, E., Setiadi, E.A., Shabrina, N., Kato, T., Iwata, S., 2014. Magnetic Properties
and Microstructures of Polyethylene Glycol (PEG)-Coated Cobalt Ferrite (CoFe2O4) Nanoparticles Synthesized by Coprecipitatin Method, Adv. Mater. Res.,vol. 896, 126. Tudorache, F., Popa, P.D., Brinza, F., Tascu, S., 2012. Structural Investigations and
Magnetic Properties of BaFe12O19Crystals, Proc. Int. Congr. Adv. Appl. Phys. Mater.
Sci., vol. 121, no. 1, 95.
Wannawong, N., Sridet, P., Kaewrawang, A., Tonmitr, K., Siritaratiwat, A., 2013.
