Pengembangan Parallel Type Magnetic Field Press untuk Orientasi
Partikel Magnetik pada Proses Pencetakan Magnet Ferrite Permanen
Bambang Hermanto, Agus Sukarto Wismogroho.
Pusat Penelitian Fisika- LIPI
Kawasan Puspiptek, Serpong, Tangerang Selatan, Banten 15314 Telp : (021) 756-0570, Fax : (021) 756-0554
bamb046@lipi.go.id
Abstrak – Nilai remanence dan coercivity merupakan salah satu karakterisitik material magnet yang menentukan
kualitas suatu material magnet. Dalam proses pembuatan magnet, proses orientasi magnet melalui proses pencetakan magnet menjadi suatu proses yang harus dilakukan. Eksperimen proses orientasi telah dilakukan dengan posisi perpendicular yaitu dengan memposisikan sumber medan magnet tegak lurus dengan arah penekanan material magnet, namun hasil yang didapatkan masih belum optimal. Oleh karena itu dilakukan metode lain yaitu dengan posisi paralel yaitu dengan menerapkan sumber medan magnet sejajar dengan arah penekanan material magnet. Alat press orientasi ini terdiri dari sepasang koil magnet yang dialiri arus listrik saat penekanan. Koil magnet pertama dipasang di bagian bawah alat press, sedangkan koil magnet kedua dipasang di bagian atas atau penekan alat press. Eksperimen ini dilakukan dengan membuat variasi cetakan material magnet Barium heksaferit terhadap variasi pemberian medan magnet eksternal, dengan memvariasikan arus listrik yang diberikan terhadap koil magnet. Pengembangan proses ini terbukti meningkatkan nilai remanence magnet, di mana dengan dilakukannya proses orientasi magnet secara parallel atau sejajar dengan arah penekanan dalam proses pencetakan material magnet Barium heksaferrit dapat meningkatkan nilai remanence sebesar dua hingga tiga kali lipat yaitu sebesar 1525 Gauss atau 0,15 T jika dibandingkan dengan tanpa melalui proses orientasi magnet.
Kata kunci: remanence, orientasi, parallel, perpendicular, press, koil magnet, material magnet.
Abstract – Remanence and coercivity value is one of the characteristics of the magnetic material that determines the
quality of a magnetic material. In the process of making magnets, the magnetic orientation through the forming process into a process that should be done. Experiments of magnetic orientation have been conducted that is perpendicular position by positioning the source of the magnetic field perpendicular to the direction of the magnetic material emphasis, but the results obtained are still not optimal. Therefore, other methods do with the position that is parallel to the magnetic field source applying parallel to the direction of the magnetic material suppression. The first coil mounted in the bottom of the press, while the second coil mounted on the top or suppressing the press tool. The experiments were done by varying the material mold of Barium heksaferit towards the variation of the external magnetic field, by varying the electric current supplied to the coil. The development process is proven to increase the value of the magnetic remanence, where the magnetic orientation process done in parallel or parallel to the direction of the emphasis in the forming process Barium heksaferrit magnetic material can increase the value of remanence by two to three times the amount of 1529 gauss or 0.15 T when compared with without going through the process of magnetic orientation.
Keywords: remanence, orientation, parallel, perpendicular, press, coil, magnetic material. I. PENDAHULUAN
Kristal magnet permanen memiliki sumbu mudah orientasi yang merupakan sumbu paling mudah untuk mengalami mangetisasi. Ketika proses magnetisasi, total kuat magnet yang dihasilkan dari magnet permanen, merupakan akumulasi dari kuat magnet masing-masing kristalnya. Apabila arah kristal magnet penyusunnya tersusun acak atau isotropic, maka maksimal kuat magnet yang dapat diperoleh jauh dari nilai maksimal yang dapat dihasilkan ketika seluruh arah kristal tersusun sejajar atau anisotropic. Oleh karena itu, untuk mendapatkan magnet permanen dengan kuat magnet maksimal, diperlukan proses orientasi Kristal [1].
Untuk melakukan orientasi kristal, diperlukan 3 syarat utama, yaitu: (1). tersedia cukup medan magnet luar yang dapat mengalahkan medan magnet antar partikel, sehingga dapat mengalahkan kecenderungan partikel untuk membentuk pasangan sebagai kondisi struktur
magnetik yang stabil, (2) partikel dalam kondisi bebas yang dapat berputar, sehingga ketika medan magnet diberikan, partikel dapat bergerak, (3) partikel berada dalam suatu media yang memungkinkan untuk bergerak, seperti didalam cairan, atau tidak terkunci oleh gerakan bebas partikel yang lainnya [2, 3, 4].
Gambar 1. Perputaran partikel oleh medan magnet
Gambar 1, menunjukkan proses orientasi partikel magnetik ketika diberi medan magnet dari luar. Partikel pada gambar 1.a dengan arah n, kemudian diterapkan medan magnet H dengan arah m. Akibat medan magnet tersebut maka partikel berubah arahnya sama dengan arah
m.
Gambar 2. Ilustrasi efek orentasi pada hasil sintering.
Setelah dilakukan orientasi dan pencetakan, dilanjutkan dengan sintering. Pada proses sintering tanpa medan magnet, proses sintering mengikuti hukum otswald, di mana terjadi proses pembesaran ukuran kristal tanpa adanya pengaruh efek arah kristal dari pemilihan kristal mana yang yang membesar dan yang menghilang [5]. Ilustrasi efek orientasi pada penumbuhan struktur kristal dan arahnya ditunjukkan pada gambar 2. Untuk dapat memperoleh kristal yang memiliki orientasi optimal, persiapan partikel dengan distribusi ukuran yang seragam, karakteristik morfologi dan magnetiknya menjadi penting. Semua ini sangat dipengaruhi oleh metoda sintesanya. Berbagai metoda sintesa selain metoda kalsinasi telah dikembangkan, seperti Sol–gel [6], penambahan precursor milling [7], co-precipitation [8], dan gel casting dalam medan magnet [9].
Di Indonesia, pengembangan penelitian magnet telah berjalan lebih dari dua dasawarsa. Namun demikian, berbagai kendala dalam pengembangannya menjadikan proses tersebut perlu diakselerasi. Untuk mendukung proses orientasi pada proses pencetakan magnet untuk membuat magnet permanen jenis anisotropic, pada kegiatan ini telah dilakukan desain sistem alat magnetic
field press. Alat tersebut merupakan alat yang
memungkinkan untuk membuat pencetakan magent dalam kondisi partikel terorientasi. Eksperimen proses orientasi telah dilakukan dengan posisi perpendicular yaitu dengan memposisikan sumber medan magnet tegak lurus dengan arah penekanan material magnet, namun hasil yang didapatkan masih belum optimal. Oleh karena itu dilakukan metode lain yaitu dengan posisi paralel yaitu dengan menerapkan sumber medan magnet sejajar dengan arah penekanan material magnet. Desain tersebut kemudian diimplementasikan pada prototipe dan diujikan pada material Barium hexaferrite. Proses pengembangan prototipe pengembangan Parallel Type Magnetic Field Press dan ujicoba penggunaannya dilaporkan. Hal ini memberikan informasi dalam proses pembuatan magnet, bahwa proses orientasi magnet melalui proses pencetakan magnet menjadi suatu proses yang harus dilakukan. II. METODOLOGI
Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan proses anisotropik. Proses secara anisotropik adalah proses
pembuatan ferrite di mana pada waktu proses pembentukannya dilakukan dalam medan magnet sehingga partikel-partikel ferrite akan terorientasi. Tujuan proses anisotropik adalah untuk mensejajarkan arah partikel, sehingga magnet yang dihasilkan akan memiliki nilai induksi Remanen (Br) dan koersifitas (Hc) yang tinggi.
Tahapan pelaksanaan kegiatan penelitian ini dengan membuat sistem Magnetic field press yang terdiri dari sepasang koil magnet magnet yang dapat menghasilkan medan magnet kuat dan alat press dengan kekuatan 50 Ton untuk memberi tekanan pada proses pencetakan pelet magnet Barium hexaferrite. Sepasang koil magnet yang diletakkan pada bagian bawah dan bagian atas alat press secara parallel, yaitu arah medan magnet sejajar atau parallel dengan arah penekanan pada proses press. Selanjutnya melakukan ujicoba dengan pembuatan pelet magnet dengan cetakan menggunakan bahan bubuk Barium heksaferrit.
Untuk mencetak alat cetak dan penekan terbuat dari dua variasi bahan, yaitu dari bahan stainless steel sus 304 yang bersifat para magnetic dan besi (SS) dengan target bentuk pelet hasil cetakan adalah tabung dengan ukuran diameter 16mm dan tebal 8 mm.
Untuk melakukan ujicoba pencetakan, pelet dibentuk dari bubuk Barium hexaferrite yang diproses dalam kondisi kering. Bubuk Barium hekaferrite dimasukkan kedalam cetakan dan koil magnet diterapkan arus listrik sehingga menghasilkan medan magnet induksi. Bubuk
Barium hexaferrite dalam keadaan diberi medan magnet
kemudian ditekan dengan tekanan hingga 30 kg/cm2. Hasil cetakan berbentuk pelet selanjutnya dioven pada suhu 100oC selama 4 jam dan disinter pada suhu 1200°C dan lama waktu penahanan selama 1 jam. Setelah disinter pelet kemudian dimagnetisasi dengan menggunakan alat
Impulse Magnetizer Dr. Steingroever Gmbh dan
kemudian kuat magnet dari magnet diukur menggunakan sensor efek hall atau Gaussmeter.
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Hasil Desain Alat Magnetic Field Press
Untuk mendapatkan sistem medan magnet yang dapat dikombinasikan dengan alat press, telah didesain sistem pembangkit medan magnet yang diletakkan sejajar atau parallel dengan arah penekanan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 3. Desain kombinasi alat press dengan medan
magnet, arah tekanan sejajar dengan arah medan magnet.
Sistem penekan didesain menggunakan press hidrolik dari sistem alat Universal Testing Machine (UTM) dengan kekuatan tekan 50Ton, buatan China yang dapat dikontrol secara elektrik. Sistem pembangkit medan magnet menggunakan koil magnet, diletakkan diantara sistem penekan. Inti lilitan menggunakan besi lunak yang diletakkan sepasang untuk saling memperkuat medan magnet. Untuk menjaga timbulnya panas, digunakan pendingin air yang diadopsi alat magnetizer. Jarak sistem titik pusat medan dapat diatur untuk dapat mengatur maksimal pembangkitan yang dapat diperoleh. Pembangkitan medan magnet menggunakan sumber arus DC dengan kekuatan sebesar maksimum 14 Ampere.
Sistem alat press orientasi paralel ditunjukkan pada Gambar 4. Diantara kedua sisi koil magnet atas dan koil magnet bawah diletakkan pencetak bentuk magnet seperti Gambar 5, yang berbentuk silinder dengan diameter lubang 16mm.
Gambar 4. Desain sistem magnetic field press paralel.
Gambar 5. Pencetak bentuk pelet magnet.
B. Distribusi Fluk Magnetik Sistem
Pada penelitian ini medan magnet dari sistem magnetic field press, yang dikombinasikan dengan alat press untuk mendapatkan titik atau posisi medan magnet yang optimal, ujicoba pencetakan dalam medan magnet dengan variasi arus, ujicoba dengan variasi material penekan (stainless dan besi), dan mendapatkan hasil kuat flux magnet Barium heksaferit dari penggunaan material penekan stainless (SUS) dan besi (SS) yang diukur dengan Gauss meter.
Untuk mengetahui distribusi fluk magnetik dari kedua koil magnet dilakukan pengambilan data dengan menerapkan variasi arus listrik pada koil magnet yang terpasang pada alat press. Penerapan arus listrik dilakukan dengan variasi 5A, 10A dan 13A. Sedangkan pada proses penekanan dilakukan dengan dua variasi yaitu dengan penekan stainless (SUS) dan besi (SS).
Distribusi posisi melintang horizontal diantara dua koil magnet ditunjukkan pada gambar 6. Fluk magnetik pada sisi posisi pengukuran meningkat sampai pusat dan turun kembali pada sisi yang lain yaitu pada rentang pengukuran 0 sampai dengan 30 Cm. Sedangkan distribusi posisi melintang vertikal ditunjukkan pada gambar 7, terlihat perbedaan fluk magnetik tidak besar pada setiap titik pengukuran.
Gambar 6. Distribusi fluk magnetik posisi horizontal.
Koil
magnet
Gambar 7. Distribusi fluk magnetik posisi vertikal.
Untuk membandingkan penggunaan bahan penekan cetakan yaitu bahan Stainless Steel (SUS) dan Besi (SS). Penggunaan penekan berbahan Stainless Steel baik bagian penekan pendek 20 mm maupun penekan panjang 30 mm memperlihatkan distribusi yang mirip. Nilai fluk magnet koil magnet berkisar antara 1,5-2 kG untuk penerapan 5 Ampere, 2,5-3,5 kG untuk penerapan 10 Ampere dan 3,4-4,0 kG untuk 13 Ampere. Hal ini memberikan informasi bahwa penggunaan bahan Stainless Steel tidak mempengaruhi besar fluk magnet dari koil magnet.
Gambar 8. Distribusi penekan Stainless pendek.
Gambar 9. Distribusi penekan stainless panjang.
Jika dibandingkan penekan dengan bahan Besi (SS), Nilai fluk magnet koil berkisar antara 4,0-6,0 kG untuk penerapan 5 Ampere, 7,0-8,0 kG untuk penerapan 10 Ampere dan 7,5-9,0 kG untuk 13 Ampere. Tampak pada Gambar 10 dan Gambar 11, penggunaan bahan Besi (SS) untuk bagian penekan memberikan efek penguatan fluk magnet dari koil sebesar 2 sampai 3 kali lipat dari besar fluk magnet koil tanpa bahan (kosong).
Gambar 10. Distribusi penekan besi pendek.
Gambar 11. Distribusi penekan besi panjang.
C. Hasil Ujicoba Orientasi Magnet
Hasil dari pencetakan atau pembentukan menggunakan sistem magnetic field press ditunjukkan pada Gambar 12. Kualitas hasil pencetakan sangat ditentukan oleh tekanan saat pencetakan dan cetakan. Cetakan yang ideal yaitu yang mampu mengalirkan atau memfokuskan garis-garis medan magnet melalui bagian penekan. Seperti yang dilakukan pada eksperimen, menunjukan bahwa untuk bagian penekan penggunaan bahan besi (SS) lebih baik dari pada bahan stainless steel (SUS 304). Alat cetak yang dibuat masih belum sempurna, dan masih dalam tahap memiliki persyaratan minimal dapat digunakan. Tingkat kepresisian pembuatan, bahan yang digunakan masih memerlukan penyempurnaan. Hal ini memungkinkan cetakan yang dihasilkan tidak baik, tidak padat, tidak rata dan lainnya. Namun demikian alat cetak ini sudah mampu membentuk sesuai bentuk yang diinginkan.
Gambar 12. Contoh pelet hasil pengepresan diameter 16mm ×
10mm.
Gambar 13. Contoh foto mikroskopik pelet pembesaran 100x.
Hasil cetakan yang didapatkan masih banyak yang berpori seperti terlihat pada contoh foto mikroskopik pelet seperti pada gambar 13. Foto diambil pada pembesaran 100x. Terlihat struktur permukaan berpori dan kurang padat. Hal ini dimungkinkan karena penggunaan cetakan dan bahan penekan yang kurang baik.
Gambar 14. Hasil kuat magnet dari Barium hexaferrite yang
diperoleh dari orientasi pada kondisi bubuk kering.
Hasil kuat magnet dari Barium hexaferrite setelah dimagnetisasi menggunakan Impulse Magnetizer Dr. Steingroever Gmbh pada tegangan dan arus tinggi dengan waktu proses magnetisasi 5-10 detik, ditunjukkan pada gambar 13. Hasil pengukuran menggunakan Gauss meter, pada penerapan arus listrik pada koil magnet 5A untuk penekan Stainless Steel menghasilkan magnet 878,83
Gauss sedangkan penekan besi menghasilkan magnet 1310,6 Gauss. Penerapan 10A untuk penekan Stainless Steel menghasilkan magnet 1035,4 Gauss dan penekan besi 1482,3 Gauss. Penerapan 13A untuk penekan Stainless Steel 1200,8 Gauss dan penekan besi 1525,93 Gauss. Dapat dibandingkan dengan penelitian sebelumnya, hasil kuat magnet dari Barium heksaferrite tanpa menggunakan proses orientasi magnet berkisar antara 600-800 Gauss. Dari enam magnet yang dihasilkan penerapan arus listrik 13A dan penggunaan penekan besi menghasilkan magnet dengan kuat magnet tertinggi. IV. KESIMPULAN
Pada kegiatan ini telah dilakukan desain dan pengembangan sistem magnetic field press, yang merupakan alat kombinasi sistem pencetakan magnet dalam kondisi partikel terorientasi untuk mendapatkan magnet permanen dengan arah kristal yang terorientasi atau anisotropic. Arah tekanan pencetakan adalah sejajar atau parallel dengan arah dari medan magnet yang dibangkitkan. Distribusi medan magnet pada permukaan inti sistem pembangkit dipengaruhi oleh bahan pencetak dan penekan. Maksimum medan magnet yang bisa dihasilkan pada titik pusat adalah 5 kG s.d 8 kG ketika dua sistem koil magnet digunakan dengan jarak permukaan antar inti sejauh 6 cm. Hasil ujicoba menggunakan Barium hexaferrite dengan menggunakan medan magnet maksimal menunjukkan bahwa nilai tertinggi kuat magnet yang diperoleh sebesar 1.525 G atau naik 2 sampai 3 kali lipat dari tanpa menggunakan proses orientasi magnetik dengan variasi penekan dan penerapan arus listrik pada koil magnet yang telah dilakukan. Hal ini menunjukkan bahwa sistem magnetic
field press telah dapat berjalan dengan baik dan
pentingnya orientasi magnetik dalam proses pembuatan magnet menjadi suatu proses yang harus dilakukan. V. UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terimakasih kepada rekan-rekan yang telah membantu dalam proses eksperimen dan pengambilan data pada kegiatan ini. Ucapan terimakasih kepada program DIPA Pusat Penelitian Fisika dan Program Kompetitif sub program Material Maju dan Nanoteknologi – Pusat Penelitian Metalurgi yang telah memberikan sebagian dana untuk kegiatan ini.
PUSTAKA
[1] MS Schramberg, "Hard Ferrite Magnets Reports", 2013, pp. 8-17.
[2] H. Yasuda, O. Itsuo, "Microstructural Control and Solidification Process Using a High Magnetic Field", Feramu, vol.8 (2003), pp.158-160.
[3] H. Yasuda, I. Ohnaka, Y. Yamamoto, A. S. Wismogroho, N. Takezawa, and K. Kishio, "Alignment of BiMn Crystal Orientation in Bi-20at%Mn alloys by Laser Melting under a Magnetic Field", Material Transactions, vol. 43 (2003),pp. 2550-2554.
[4] H. Yasuda, I. Ohnaka, Y. Yamamoto, K. Tokieda, K. Kishio, "Formation of Crystallographically Aligned BiMn Grains by Semi-solid Processing of Rapidly Solidified Bi-Mn Alloys under a Magnetic Field", Material Transactions,vol. 44 (2003), pp. 2207-2212.
[5] H.Z. Wang, Q. He, G.H. Wen, F. Wang, Z.H. Ding, B. Yao, "Study of formation mechanism of barium hexaferrite by sintering curve", Journal of Alloys and Compounds, Vol. 504, 2010, pp. 70–75.
[6] S.S. Fortes, J. G. S. Duque, M. A. Macedo, "Nanocrystals of BaFe12O19 obtained by the proteic sol-gel process”, Physical B: Condensed Matter, vol. 384, 2006, pp. 88-90. [7] A. Mali, . Ataie,"Structural characterization of nano-crystalline BaFe12O 19 powders synthesized by sol-gel combustion route", Scripta Materialia, vol. 53, 2005, pp. 1065-1070.
[8] P. Shepherd, K. K Mallick, and R. J. Green, "Magnetic and structural properties of M-type barium hexaferrite prepared by co-precipitation", Journal of Magnetism and Magnetic Materials, vol. 311, 2007, pp. 683-692.
[9] D. B. Hovis, and K. T. Faber, "Textured microstructures in barium hexaferrite by magnetic field assisted gelcasting and templated grain growth", Scripta Materialia, vol. 44, 2001, pp. 2525-2529.
[10] A. S. Wismogroho, dan B. Hermanto, “Pengembangan Perpendicular Type Magnetic Field Press Untuk Orientasi Partikel Magnetik Pada Proses Pencetakan Magnet Ferrite Permanen” Proceeding Seminar Ilmu Pengetahuan Teknik 2013 “Teknologi Untuk Mendukung Pembangunan Nasional“, pp.86-90.
TANYA JAWAB Yayan, UNESA
? Apakah pengaruhnya penekan besi dengan penekan stainless steel?
Bambang Hermanto, LIPI
@ Menggunakan penekan besi, distribusi medan magnet yang dihasilkan pada titik pengukuran mencapai 2 sampai 3 kali lipat jika dibandingkan dengan penekan stainless steel,. Dari hasil magnet yang dihasilkan pun, kuat medan magnet dengan penekan besi lebih baik dibanding penekan stainless steel.
Dewita, BATAN
? a). Apakah dari termokopel ke termocouple amplifier menggunakan extensi kabel yang sesuai dengan termokopel tipe k?
b). Apakah resolusi 0,25 oC cukup memadai untuk pengukuran yang dinginkan?
Bambang Hermanto, LIPI
@ a). Iya benar, koneksi terminasi dari termokopel ke termokopel amplifier menggunakan jenis yang sesuai untuk aplikasi suhu sampai 1300 oC termokopel yang sesuai adalah tipe K. Tidak memerlukan ekstensi kabel karena panjang termokopel ke bagian mikrokontroler dekat, ±1 meter.
b). Penggunaan termokopel amplifier dengan resolusi 0,25oC sudah cukup untuk monitoring suhu sampai 1000oC.
Marga Asta Jaya Mulya, LIPI
? Bagaimana hasil dari penelitian Bapak? Bambang Hermanto, LIPI
@ Bahwa proses press dengan orientasi merupakan tahap yang perlu dilakukan dihasilkan nilai fluk magnet yang dihasilkan bisa mencapai 2 – 3 kali dibandingkan tanpa melalui proses orientasi tertinggi dihasilkan magnet dengan penerapan arus listrik 13A pada koil magnet sebesar 1525 Gauss.
