PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI SEMI-HARD MAGNETIC Fe 2 O 3 BERBASIS MILL SCALE LIMBAH INDUSTRI BAJA DENGAN PENAMBAHAN FeMo SKRIPSI

(1)

PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI SEMI-HARD MAGNETIC Fe2O3 BERBASIS MILL SCALE LIMBAH INDUSTRI BAJA DENGAN

PENAMBAHAN FeMo

SKRIPSI

SANTA SIMANJUNTAK 120801058

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN 2016

(2)

PENAMBAHAN FeMo

SKRIPSI

Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai gelar Sarjana Sains

SANTA SIMANJUNTAK 120801058

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN 2016

(3)

PERNYATAAN

PENAMBAHAN FeMo

SKRIPSI

Saya mengaku bahwa skripsi ini adalah hasil kerja saya sendiri, kecuali beberapa kutipan dan ringkasan yang masing-masing disebutkan sumbernya.

Medan, 19 Juli 2016

SANTA SIMANJUNTAK

120801058

(4)

PENGHARGAAN

Puji dan syukur kehadirat Tuhan yang Maha Esa yang telah memberikan Rahmat, Karunia dan Bimbingan-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir

ini yang berjudul Pembuatan dan Karakterisasi Semi-Hard Magnetic Fe2O3

Berbasis Mill Scale Limbah Industri Baja dengan Penambahan FeMo. Laporan Tugas Akhir ini diajukan untuk memenuhi salah satu syarat mencapai gelar Sarjana Fisika. Penelitian ini dilakukan di Pusat Penelitian Fisika (P2F) Lambaga Ilmu Penelitian Indonesia (LIPI) Serpong, Tangerang Selatan.

Disampaikan banyak terima kasih kepada :

1. Drs. Kerista sebayang M.S sebagai dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) USU. Bapak Dr. Marhaposan Situmorang selaku Ketua Departemen Fisika FMIPA USU, Bapak Drs. Syahrul Humaidi, M.Sc selaku sekretaris Departemen Fisika FMIPA USU beserta seluruh Staf Pengajar dan Pegawai Departemen Fisika FMIPA USU.

2. Drs. Kerista Sebayang M.S dan Bapak Prof.Drs.Perdamean Sebayang M.Sc selaku Dosen Pembimbing yang telah membimbing, mengajari, memberikan masukan serta bantuan dalam menyelesaikan tugas akhir ini.

3. Orang tua tercinta Mangasi simanjuntak dan Rumondang Hutajulu yang telah mengenalkan saya dengan dunia ini, yang telah menyekolahkan saya sampai ke jenjang perkuliahan dan memberikan kesempatan kepada saya untuk bisa belajar dan menyelesaikan Tugas akhir ini. Terimakasih dari hati yang terdalam atas semua doa, dukungan, susah payah dan keringat kalian untuk bisa membuat memperoleh gelar Sarjana.

4. Yuli simanjuntak, Morina simanjuntak, adik-adik dan keluarga besar simanjuntak atas segala bantuan, doa dan dukungan kepada saya sehingga bisa menyelesaikan Tugas akhir ini.

5. Zefanya pardosi, yang selalu meberikan semangat, dukungan, doa, sekaligus menjadi tempat berbagi suka-duka dan membantu dalam menyelesaikan skripsi ini.

(5)

memberi semangat, doa dan menanyakan kepulangan saya sehingga saya bersemangat dalam mengerjakan tugas akhir ini.

7. Seluruh anak kos kece L48 Cut Hani safira (Bunda), Marta nainggolan, Sulistra Simamora, Riris tambunan, Mia Aulia Dhika dan Fitry Silaban yang selalu menjadi teman berbagi dan minta pertolongan saat ada yang tidak saya mengerti dalam pengerjaan penelitian.

8. Seluruh anggota my fams, Fransisco Purba, Ivo Zoel Sinulaki, Zefanya Pardosi, yani Permata Sari dan Marta Masniary Nainggolan terimakasih untuk setiap kebersamaan kita selama di perkuliahan juga untuk setiap semangat, dukungan dan doa yang kalian berikan.

9. Kepada Elisabeth Sinaga, Sahabat curhat saya yang selalu memberikan dukungan, semangat, doa dan bantuan lainnya sehingga kami bisa sama-sama menyelesaikan penelitian kami masing-masing.

10. Kepada teman-teman peneliti lainnya terkhusus melpa yang menjadi partner penelitian saya, yang setia menemani saya saat lembur, setia dan sabar menemani saya mengambil data berulang-ulang, kepada Tania L.Tobing, Mareanus Mendrova, Karyaman zebua, dan Teman-teman seperjuangan di Fisika Usu 2012 terimakasih atas segala bantuan dan dukungannya.

11. Kepada pak Ahmad dan bang Anggi yang selalu membantu saya saat pembuatan sampel dan menggunakan alat lainnya pada saat penelitian. Tak lupa juga kepada Pak lukman, Bang Mardi, Buk Yati dan semua pegawai LIPI lainnya yang ikut berpartisipasi dalam menyelesaikan penelitian ini.

Saya menyadari masih banyak kekurangan dalam penyusunan skripsi ini. Oleh karena itu, saya mengharapkan kritik dan saran yang membangun yang dapat memperbaiki skripsi ini. Kiranya skripsi ini dapat bermanfaat bagi setiap orang yang membacanya.

(6)

PENAMBAHAN FeMo

ABSTRAK

Pembuatan dan karakterisasi material magnetik berbasis mill scale limbah industri baja dengan penambahan 1, 3, 5, 7 dan 9% wt FeMo telah dilakukan. Bahan baku

mill scale dimilling menggunakan Planetary Ball Mill (PBM) sedangkan FeMo

dimilling menggunakan High Energy Milling (HEM) dengan metode wet milling. Kemudian dilakukan pengujian XRF dan menunjukkan kandungan mill scale adalah 98,7% Fe dan unsur lain berupa Mn, Si, Al, Cr, Nb dan Cu sedangkan unsur penyusun FeMo adalah 60,3% Mo dan 38,5% Fe dan unsur lain seperti Al, Si, Cu, dan Ni. Kemudian serbuk mill scale dan FeMo dimixing menggunakan HEM selama 15 menit. Dilakukan Pengujian true density dimana hasilnya

berkisar 5,63 – 5,93 g/cm3 dan pengukuran VSM menunjukkan nilai koersivitas

berkisar 402,64 – 442,13 g/cm3. Kemudian campuran serbuk mill scale dan FeMo

dikalsinasi pada suhu 900oC (2 jam) dan dilakukan Karakterisasi XRD dan VSM

dimana hasilnya menunjukkan telah terbentuknya fasa tunggal Fe2O3 (hematit)

dengan nilai koersivitas berkisar 2,2 – 2,3 kOe. Bahan yang telah dikalsinasi

tersebut dikompaksi (70kgf/cm2) dan disintering pada suhu 1150oC dan 1250oC.

Kemudian diukur nilai bulk density dan porositas yang menunjukkan kondisi

optimum berada pada suhu 1250oC. Sampel yang menunjukkan kondisi optimum

dianalisis menggunakan XRD dan menunjukkan tidak terjadi perubahan fasa dan karakterisasi VSM menunjukkan sampel pada penambahan 1, 5 dan 9% wt adalah semi-hard magnetik dengan koersivitas 0,7 – 1,2 kOe dan dapat diaplikasikan sebagai sensor magnetic, hysteresis device dan telekomunikasi. Sedangkan pada penambahan 7% wt FeMo mampu menghasilkan hard-magnetik dan dapat diaplikasikan pada electric motors pada jam dan komputer, printers, galvanometer, lousdpeaker, microphone, dan Nuclear Magnetic Resonance (NMR).

(7)

SYNTHESIS AND CHARACTERISATION OF SEMI-HARD MAGNETIC Fe2O3 BASED ON MILL SCALE STEEL INDUSTRIAL WASTE WITH FeMo

ADDITION

ABSTRACT

Synthesis and characterisation magnetic material based on mill scale with 1, 3, 5,

7 and 9% wt FeMo addition has been done. The raw material of mill scale milled

using Planetary Ball Mill (PBM) while FeMo milled using High Energy Milling (HEM) in wet milling method. And then XRF analysed has done and show the element compiler of mill scales are 98.7% iron and the other element are Mn, Si, Al, Cr, Nb and Cu. while the compiler of FeMo are 60.3% Molybdenum, 38,5% iron and there are Al, Si, Cu and Ni. Mixing process of mill scale and FeMo powder has done using HEM for 15 minutes. The true density measurement was done and the value range 5.63 – 5.93 g/cm3as the result, while VSM measurement got the coercivity about 402.64 – 442.13 g/cm3. After that, the mixed powder of mill scale and FeMo calcined at 900oC for 2 hours. And the analisys of XRD shown a single phase namely hematite (F2O3) and VSM measurement got the coercivity about 2.2 – 2.3 kOe. Than, the powder were calcined pressed with 70kgf/cm2for 2 minutes and sintered at 1150oC and 1250oC for 2 hours. The bulk density and porosity measurement show that optimum condition when the sample sintered at 1250oC and The XRD characterisation of sample sintered at 1250oC show that the phases is not change with coercivity about 0.7 – 1.2 kOe, when added 1, 5 and 9 wt % FeMo and it is conclude into semi-hard magnetic materials and can be applied as magnetic sensor and telecomunication devices. When 7 wt % FeMo added, it produced hard magnetic and can be applied as electric motors for watches and computer, printers, galvanometer, loudspeaker, microphone and Nuclear Magnetic resonance (NMR).

(8)

DAFTAR ISI

Halaman Persetujuan i Pernyataan ii Penghargaan iii Abstrak v Abstrac vi

Daftar Isi vii

Daftar Tabel x

Daftar Gambar xi

Daftar Lampiran xiii

BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang 1 1.2 Rumusan Masalah 2 1.3 Batasan Masalah 3 1.4 Tujuan Penelitian 3 1.5 Manfaat Penelitian 4 1.6 Sistematika Penulisan 4

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Mill scale 5

2.1.1 Hematite 6

2.2 Ferromolybdenum (FeMo) 7

2.3 Pembuatan Sampel Uji 8

2.3.1 Bentuk dan ukuran Partikel 8

2.3.2 Distribusi Ukuran Partikel 9

2.3.3 Mechanical Milling 9 2.3.4 Tipe Milling 10 2.3.5 Bola Milling 10 2.3.6 Kecepatan Milling 11 2.3.7 Waktu Milling 11 2.3.8 Mekanisme Sintering 12 2.4 Magnet 12 2.4.1 Medan Magnet 13 2.4.2 Momen Magnetik 13 2.4.3 Induksi Magnetik 14

2.4.4 Kuat Medan Magnetik 14

2.4.5 Intensitas Kemagnetan 14

2.5 Bahan Magnetik 15

2.5.1 Bahan Diamagnetik 15

2.5.2 Bahan Paramagnetik 16

2.5.3 Bahan Ferromagnetik 16

(9)

2.5.5 Bahan Ferrimagnetik 17

2.6 Sifat-sifat Magnet 17

2.7 Jenis-jenis Magnet 21

2.7.1 Magnet Permanen 21

2.7.2 Magnet tidak Tetap 21

2.8 Karakterisasi 22

2.8.1 Densitas 22

2.8.2 Porositas 23

2.8.3 X-Ray Diffraction (XRD) 23

2.8.4 Vibrating Sample Magnetometer (VSM) 24

2.8.5 X-ray Fluoresence (XRF) 25

BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Tempat dan Waktu Penelitian 26

3.1.1 Tempat Penelitian 26

3.1.2 Waktu Penelitian 26

3.2 Peralatan dan Bahan 26

3.2.1 Peralatan 26

3.2.2 Bahan 28

3.3 Tahapan Penelitian 28

3.4 Diagram Alir Penelitian 28

3.5 Prosedur Penelitian 30 3.5.1 Preparasi sampel 30 3.5.2 Milling 30 3.5.3 Pengeringan 30 3.5.4 Mixing 31 3.5.5 kalsinasi 31 3.5.6 Kompaksi 32 3.5.7 Sintering 32 3.6 Karakterisasi 34

3.6.1 Karakterisasi dengan X-Ray Fluorescence (XRF) 34

3.6.2 Karakterisasi dengan Optical Microscope 34

3.6.3 Uji True Density 35

3.6.4 karakterisasi sampel dengan X-ray Diffraction (XRD) 36

3.6.5 Pengujian Bulk Density Sampel 36

3.7.6 Pengujian Porositas 37

3.6.7 Karakterisasi desngan Vibrating Sample Magnetometer(VSM) 37 BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Analisa X-Ray Fluoresence (XRF) 39

4.2 Pengujian True Density 39

4.3. Karakterisasi ukuran partikel 41

4.4. Analisa X-Ray Diffractometer (XRD) 44

4.5. Bulk Density 46

4.6. Porositas 47

(10)

BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan 53

5.2 Saran 54

DAFTAR PUSTAKA 55

(11)

DAFTAR TABEL

Nomor

Tabel Judul Halaman

4.1 Nilai true density dari campuran serbuk mill scale

dan FeMo

40

4.2 Hubungan Komposisi FeMo dengan diameter

rata-rata partikel

44

4.3 Hasil pengukuran sifat magnet dari mill scale dengan

penambahan 1, 5, 7, dan 9% wt FeMo menggunakan VSM

59

4.4

4.5

Hasil pengukuran sifat magnet dari mill scale dengan penambahan FeMo sebanyak 1, 5, 7, dan 9% berat

setelah kalsinasi pada suhu 9000C (2 jam)

menggunakan VSM.

Hasil pengukuran sifat magnet dari mill scale dengan penambahan FeMo sebanyak 1, 5, 7, dan 9%wt

setelah sintering pada suhu 12500C (2 jam)

menggunakan VSM

51

(12)

DAFTAR GAMBAR

Nomor

Gambar Judul Halaman

2.1 Bola-bola milling 11

2.2 Arah momen magnetik bahan non magnetik 13

2.3 Arah momen magnetik bahan magnetik 14

2.4 Material magnetik lunak dan Material Magnetik keras 18

2.5 Loop Histerisis 20

2.6 Pola Difraksi sinar X 24

3.1 3.2

Diagram lir penelitian

Skema kalsinasi sampel pada suhu 9000C

29 31

3.3 Skema Sintering Sampel Pada Suhu 11500C 33

3.4 Skema Sintering Sampel Pada Suhu 12500C 34

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7

Hubungan antara true density mill scale dengan penambahan FeMo (1,3,5,7 dan 9 % berat)

Foto sebuk mill scale 400X perbesaran (b.) Hasil outline menggunakan software ImageJ dari mill scale.

Foto serbuk FeMo 400X perbesaran (b). Hasil outline menggunakan software Imagej dari FeMo.

Foto serbuk 99% wt mill scale + 1% wt FeMo 400X perbesaran (b). Hasil outline menggunakan software ImageJ dari 99% wt mill scale + 1% wt FeMo.

Hasil OM 97% mill scale + 3% wt FeMo 400X perbesaran (b). Hasil outline menggunakan software ImageJ dari 97% wt mill scale + 3% wt FeMo.

(a). Foto serbuk 95% wt mill scale + 5% wt FeMo 400X perbesaran (b). Hasil outline menggunakan software ImageJ dari 95% wt mill scale + 5% wt FeMo.

a). Foto serbuk 93% wt mill scale + 7% wt FeMo 400X perbesaran (b). Hasil outline menggunakan software

40 41 42 42 42 43 43

(13)

4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15

ImageJ dari 93% wt mill scale + 7% wt FeMo.

a). Foto serbuk 91% wt mill scale + 9% wt FeMo 400X perbesaran (b). Hasil outline menggunakan software ImageJ dari 91% wt mill scale + 9% wt FeMo.

Hasil Analisis XRD dari Serbuk FeMo.

Hasil analisis XRD dari: (a). Serbuk Mill scale (b). 93%

Mill scale + 7% wt FeMo setelah kalsinasi 9000C, 2 jam.

Hubungan Bulk density dengan komposisi FeMo

Hubungan porositas terhadap penambahan 1, 3, 5, 7 dan 9

% wt FeMo pada suhu 11500C dan 12500C, 2 jam.

Loop histerisis dari mill scale dengan penambahan 1, 5, 7 dan 9% wt FeMo.

Loop Histerisis dari mill scale dengan penambahan FeMo sebanyak 1, 5, 7, dan 9% berat setelah kalsinasi pada suhu

9000C (2 jam).

Loop Histerisis dari mill scale dengan penambahan FeMo sebanyak 1, 5, 7 dan 9% wt setelah sintering pada suhu

12500C (2 jam). 43 45 46 47 48 49 50 51

(14)

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1 : Gambar Alat dan Bahan Lampiran 2 : Data Pengukuran True Density

Lampiran 3 Histogram Distribusi Partikel Dari Mill Scale dan FeMo Lampiran 4 : Hasil Analisis XRD