Universitas Sumatera Utara 2.1 Pengertian Magnet Secara Umum
Magnet adalah suatu materi yang mempunyai suatu medan magnet. Magnet juga merupakan material maju yang sangat penting untuk beragam aplikasi teknologi canggih, berfungsi sebagai komponen pengubah energi gerak menjadi listrik dan sebaliknya, seperti: otomotif, elektronik dan energy. (Collocott, S.J.,2007).
Kata magnet berasal dari bahasa Yunani yaitu magnítis líthos yangberarti batuMagnesian.Magnesia yang berarti sebuah wilayah di Asia kecil (sebuah kawasan di Asia barat daya yang kini disamakan dengan Turki bagian Asia) adalah tempat pertama kali ditemukan magnet yang didalamya terkandung batu magnet yang ditemukan sejak zaman dulu di wilayahtersebut(Afza, 2011)
Pada tahun 1819 diketahui bahwa ada hubungan antara fenomena- fenomena listrik dan magnet. Pada tahun itu seorang sarjana bangsa Denmark Hans Christian Oersted (1770-1851) mengamati bahwa sebuah magnet yang dapat berputar akan menyimpang apabila berada didekat kawat yang dialiri arus. Dua belas tahun kemudian, setelah bertahun-tahun mengadakan percobaan, Faraday menemukan bahwa akan ada aliran arus sebentar dalam sebuah circuit, apabila arus dalam circuit lain didekatnya dimulai alirannya atau diputuskan. Tidak lama kemudian setelah itu diketahui bahwa gerakan magnet menjauhi atau mendekati circuit itu menimbulkan efek yang sama. (Azwar,2013)
Setiap magnet memiliki dua kutub, yaitu, utara dan selatan.Kutub magnet adalah daerah yang berada pada ujung-ujung magnet dengan kekuatan magnet yang paling besar berada pada kutub-kutubnya.Magnet dapat menarik benda lain, 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 rendah oleh magnet.(Julia, 2011).
Universitas Sumatera Utara 2.2 Bahan Magnetik
Bahan magnetik adalah suatu bahan yang memiliki sifat kemagnetan dalam komponen pembentuknya. Berdasarkan perilaku molekulnya di dalam medan magnetik luar, bahan magnetik terdiri atas lima kategori, yaitu diamagnetik, paramagnetik, ferromagnetic, antiferromagnetik, dan ferrimagnetik.
2.2.1 Diamagnetik
Bahan diamagnetik adalah bahan yang resultan medan magnet atomis masing- masing atom/ molekulya adalah nol, tetapi medan magnet akibat orbit dan spin elektronnya tidak nol. Bahan diamagnetik tidak mempunyai momen dipol magnet permanen. Jika bahan diamagnetik diberi medan magnet luar, maka elektron- elektron dalam atom akan mengubah gerakannya sedemikian rupa sehingga menghasilkan resultan medan magnet atomis yang arahnya berlawanan dengan medan magnet luar tersebut. Sifat diamagnetik bahan ditimbulkan oleh gerak orbital elektron.Karena atom mempunyai elektron orbital, maka semua bahan bersifat diamagnetik. Suatu bahan dapat bersifat magnet apabila susunan atom dalam bahan tersebut mempunyai spin elektron yang tidak berpasangan. Dalam bahan diamagnetik hampir semua spin elektron berpasangan, akibatnya bahan ini tidak menarik garis gaya. Permeabilitas bahan ini: µ< , dengan suseptibilitas magnetik bahan < 0. Nilai bahan diamagnetik mempunyai orde -10-5m3/kg. Contoh bahan diamagnetik yaitu: bismut, perak, emas, tembaga dan seng. (Halliday & Resnick, 1978).
2.2.2 Paramagnetik
Material paramagnetik mempunyai nilai suseptibilitas positif di mana magnetisasi M paralel dengan medan luar. Material yang termasuk dalam paramagnetik adalah logam transisi dan ion logam tanah jarang (rare-earth ions).Ion-ion ini mempunyai kulit atom yang tidak terisi penuh yang berisi momen magnet permanen.Momen magnet permanen terjadi karena adanya gerak orbital dan elektron (Vlack,V.1984).Sifat paramagnetik ditimbulkan oleh momen magnetik spin yang menjadi terarah oleh medanmagnetluar.
Universitas Sumatera Utara Gambar1. Arah domain-domain dalam bahan paramagnetiksebelum
diberimedan magnet luar
Bahan ini jika diberi medan magnet luar, elektron-elektronnya akan berusaha sedemikian rupa sehingga resultan medan magnet atomisnya searah dengan medan magnet luar. Sifat paramagnetik ditimbulkan oleh momen magnetik spin yang menjadi terarah oleh medan magnetluar.
Gambar2. Arah domain dalam bahan paramagnetik setelah diberi medan magnet luar
Dalam bahan ini hanya sedikit spin elektron yang tidak berpasangan, sehingga bahan ini sedikit menarik garis-garis gaya. Dalam bahan paramagnetik, medan B yang dihasilkan akan lebih besar dibanding dengan nilainya dalam hampa udara. Suseptibilitas magnet dari bahan paramagnetik adalah positif dan berada dalam rentang 10-5 sampai 10-3 m3/Kg, sedangkan permeabilitasnya adalah μ > μ0. Contoh
bahan paramagnetik : alumunium, magnesium dan wolfram. (Nicola,2003). 2.2.3 Feromagnetik
Ferromagnetisme, seperti paramagnetisme, berasal dari spin elektron.Namun, pada material ferromagnetik, dihasilkan magnet permanen dan ini menunjukkan bahwa ada kecenderungan dari spin elektron untuk tidak berubah arah meskipun medan ditiadakan. Mengenai struktur pita, ini berarti bahwa setengah pita terkait dengan satu pin secara otomatis berkurang apabila level kosong di puncak diisi oleh elektron dari puncak lainnya (Gambar 3) dan perubahan energi potensial berkaitan dengan transfer ini disebut energi pertukaran. Jadi, meskipun secera energetik memang dimungkinkan adanya keadaan dimana semua spin berada dalam satu arah, terdapat faktor bertentangan yaitu prinsip pengecualian Pauli, karena apabila spin
Universitas Sumatera Utara berada dalam satu arah banyak elektron harus memasuki keadaan kuantum lebih tinggi yang berarti terjadi peningkatan energi kinetik.
Gambar 3. Skema (a) nikel paramagnetik dan (b) nikel ferromagnetik (Nicola,2013) Pada logam ferromagnetik terjadi pengarahan spin elektron secara spontan, karena interaksi yang kuat, meski tidak diterapkan suatu medan. Akan tetapi suatu spesimen besi dapat berada dalam kondisi tanpa magnetisasi karena pengarahan seperti itu terbatas di daerah kecil, atau domain, yang secara statistik saling bertentangan.Domain ini berbeda dengan butir logam polikristalin dan dalam satu butir terdapat beberapa domain. Dengan penerapan medan magnetik, domain dengan orientasi yang diutamakan tumbuh dengan mendifusi domain lainolehmigrasi batas domain sehingga seluruh spesimen mengalami magnetisasi. (Smallman,R.E. 2000).
2.2.4 Antiferomagnetik
Jenis ini memiliki arah domain yang berlawanan arah dan sama pada kedua arah. Arah domain magnet tersebut berasal dari jenis atom sama pada suatu kristal.
Pada unsur dapat ditemui pada unsur cromium, tipe ini memiliki arah domain yang menuju dua arah dan saling berkebalikan.Jenis ini memiliki temperature curie yang rendah sekitar 37 ºC untuk menjadi paramagnetik. Arah domain dalam bahan anti ferromagnetik dapat dilihat pada gambar dibawah ini:
Universitas Sumatera Utara Gambar 4. Arah domain dalam bahan anti ferromagnetik
Pada bahan anti ferromagnetik terjadi peristiwa kopling mome magnetik diantara atom-atom atau ion –ion yang berdekatan. Peristiwa kopling tersebut menghasilkan terbentuknya orientasi spin yang antiparalel. Suseptibilitas bahan anti ferromagnetik adalah kecil dan bernilai positif. Contoh bahan anti ferromagnetic adalah : MnO2,MnO,dan FeO. (Nicola,2003).
2.2.5 Ferrimagnetik
Material ferrimagnetik seperti ferrit (misalnya Fe3O4) menunjukkan sifatserupa
dengan material ferromagnetik untuk temperatur di bawah harga kritis yangdisebut dengan temperatur Curie, TC. Pada temperatur di atas TC maka materialferrimagnetik berubah menjadi faramagnetik. Ciri khas material ferrimagnetik adalah adanya momen dipol yang besarnya tidak sama dan berlawanan arah. Sifat ini muncul karena atom-atom penyusunnya misalnya (A dan B) mempunyai dipoledengan ukuran yang berbeda dan arahnya berlawanan. Material ini dapatmempunyai magnetisasi walau dalam keadaan tanpa medan luar sekalipun.Material ferrimagnetik seperti ferrit biasanya non konduktif dan bebaslosses arus eddy. Sehingga banyak diaplikasikan untuk medan magnetik dengan frekuensi tinggi. Ferrimagnetik, material yang mempunyai suseptibilitas yang besar tergantung temperatur.
2.3 Klasifikasi MagnetikMaterial
Klasifikasi secara sederhana dari material ferromagnetik berdasarkan koersivitasnya dapat dibedakan menjadi dua yaitu soft magnetik material dan hard magnetik material.Untuk material yang mempunyai nilai koersivitas yang tinggi disebut sebagai hard magnetik material sedangkan untuk material yang mempunyai
Universitas Sumatera Utara nilai koersivitas yang rendah disebut sebagai soft magnetik material.
Untuk hard magnetik material adalah material yang mempunyai nilai koersivitas di atas 10 kA/m sedangkan untuk soft magnetik material adalah material yang mempunyai nilai koersivitas di bawah 10 kA/m. (Hasan,2008).
2.3.1 Material Magnet Lunak
Bahan magnetik lunak (soft magnetic) dapat dengan mudah termagnetisasi dan mengalami demagnetisasi. Magnet lunak mempertahan kan sifat magnet. Magnet lunak (soft magnetic) menunjukkan histerisis loop yang sempit, sehingga magnetisasi mengikuti variasi medal listrik hampir tanpa hysterisis loss. Magnet lunak (soft magnetic) digunakan untuk meningkatkan fluks, yang dihasilkan oleh arus listrik didalamnya. Faktor kualitas dari bahan magnetik lunak adalah untuk mengukur permeabilitas yang sehubungan dengan medan magnet yangditerapkan. Parameter utama lainnya adalah koersivitas, magnetisasi saturasi dankonduktivitas listrik.
Gambar 5. Kurva histerisis magnet lunak (soft magnetic) (Poja Clauhan,2010) Bahan magnetik lunak ideal akan memiliki koersivitas rendah (Hc), saturasi yang sangat besar (Ms), remanen (Br) nol, hysterisis loss dan permeabilitas yang sangat besar. Kurva histerisis bahan magnetik lunak ditunjukkan pada Gambar 5, beberapa bahan penting magnetik lunak diantaranya Fe, paduan Fe-Si, Ferit lunak (MnZnFe2O4), besi silikon dll (Poja Clauhan, 2010).
2.3.2 Material Magnet Keras
Bahan magnet keras (hard magnetic) juga disebut sebagai magnet permanen yang digunakan untuk menghasilkan medan yang kuat tanpa menerapkan arus ke
Universitas Sumatera Utara koil. Magnet permanen memerlukan koersivitas tinggi, yang membutuhkan koersivitas tinggi. Dalam bahan magnet keras (hard magnetic) anisotropi diperlukan magnetik uniaksial dan sifat magnetik berikut :
1. Koersivitas tinggi (high coersivity) : koersivitas, juga disebut medan magnet koersif, dari bahan feromagnetik adalah intensitas medan magnet yang diterapkan atau diperlukan untuk mengurangi magnetisasi bahan ke nol setelah magnetisasi sampel telah mencapai saturasi. Koersivitas biasanya diukur dalam satuan oersted atau ampere / meter dan dilambangkan Hc. Bahan dengan koersivitas tinggi disebut bahan ferromagnetik keras dan digunakan untuk membuat magnet permanen.
2. Magnetisasi besar (large magnetization) : proses pembuatan substansi sementara atau magnet permanen, dengan memasukkan bahan medan magnet.
Gambar 6. Kurva Histerisis Magnet Keras (hard magnetic) (Poja Clauhan, 2010) 2.4 HisterisisMagnet
Magnet biasanya dibagi atas dua kelompok yaitu: magnet lunak dan magnet keras. Magnet keras dapat menarik bahan lain yang bersifat magnet. Selain itu sifat kemagnetannya dapat dianggap cukup kekal.Magnet lunak dapat bersifat magnetik dan dapat menarik magnet lainnya. Namun, hanya memiliki sifat magnet apabila berada dalam medan magnet dan sifat kemagnetannya tidak kekal. Perbedaan antara magnet permanen atau magnet keras dan magnet lunak dapat dilakukan dengan menggunakan loop histerisis yang telah dikenal seperti pada Gambar7.
Universitas Sumatera Utara Bila bahan magnet berada dalam medan magnet, H, “garis gaya yang berdekatan” akan tertarik ke dalam bahan sehingga rapat fluks meningkat. Dikatakan bahwa, induksi magnet, B meningkat. Dengan sendirinya, jumlah induksi tergantung pada medan magnet dan jenis bahan. Pada contoh Gambar 7, rasio B/H tidak linear, terjadi lompatan induksi mencapai level yang tinggi, kemudian rasio tersebut hampir konstan dalam medan yang lebih kuat.
(a) (b) (c)
Gambar7 Kurva Magnetisasi
(a) Induksi awal (B) versus medan magnet(H). (b) Loop histerisis (magnetlunak).
(c) Loop histerisis (magnet keras). (Van Vlack,1984)
Baik induksi remanen (rapat fluks) dan medan koersif, B dan –HC masing-masing,
besar untuk magnet keras. Hasil perkalian BH merupakan patokan untuk energi demagnetisasi.
Pada magnet lunak, terjadi penurunan kembali yang hampir sempurna jika medan magnet ditiadakan. Medan magnet bolak-balik akan menghasilkan kurva simetris dikuadran ketiga. Kurva histerisis magnet permanen sangat berbeda. Bila medan magnet ditiadakan, 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 dari magnet memiliki simetri 1800.
Karena hasil kali medan magnet (A/m) dan induksi (V.det/m2)
Universitas Sumatera Utara (BH)max, luas daerah hasil integrasi di dalam loop histerisis adalah sama dengan energi yang diperlukan untuk siklus magnetisasi mulai dari 0 sampai +H hingga – H sampai 0. Energi yang dibutuhkan magnet lunak dapat diabaikan, magnet keras memerlukan energi lebih banyak sehingga kondisi-ruang, demagnetisasi dapat diabaikan.Dikatakan dengan magnetisasipermanen.
Magnet permanen dapat diberi indeks berdasarkan medan koersif yang diperlukan untuk menghilangkan induksi. Patokan ukuran yang lebih baik adalah hasil kali BH.Hasil kali BH maksimum lebih sering digunakan karena merupakan barier energi kritis yang harus dilampaui. 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). (Van Vlack, 1984)
2.5 Magnet Permanen
Magnet Permanen adalah suatu bahan yang dapat menghasilkan medan magnet yang besarnya tetap tanpa adanya pengaruh dari luar atau disebut magnet alam karena memiliki sifat kemagnetan yang tetap. Jenis magnet permanen yang diketahui terdapat pada :
a. Magnet Neodymium, merupakan magnet tetap yang paling kuat. Magnet neodymium ( juga dikenal sebagai NdFeB, NIB, atau magnet Neo), merupakan sejenis magnet tanah jarang terbuat dari campuran logamneodymium.
b. Magnet Samarium – Cobalt : salah satu dari dua jenis magnet bumi yang langka, merupakan magnet permanen yang kuat tebuat dari paduan samariumcobalt.
c. Magnet Keramik, misalnya BariumHexaferrite d. Plastic Magnet dan MagnetAlnico.
Universitas Sumatera Utara
Material Induksi Remanen
(Br) T Koersifitas (Hc) MA/m Energi Produk (BH max) SrFerit 0,43 0,20 34 Alnico 5 1,27 0,05 44 Sm2Co17 1,05 1,30 208 Nd2Fe14B 1,36 1,03 350
Tabel 2.1.Perbandingan Karakteristik Magnet Permanen.
2.5.1 Magnet Permanen NdFeB
Magnet NdFeB adalah jenis magnet permanen rare earth (tanah jarang) yang memiliki sifat magnet yang sangat baik, seperti pada nilai induksi remanen, koersivitas dan energi produk yang lebih tinggi pula apabila dibandingkan dengan magnet permanen lainnya.Dengan memiliki sifat magnetik yang tinggi, dalam aplikasinya magnet NdFeB dapat berukuran lebih kecil. Magnet logam tanah jarang (rare earth) terbentuk dari 2 atom unsur logam tanah jarang yaitu Neodymium, unsur lainnya adalah 14 atom Besi dan 1 atom Boron, sehingga rumus molekul yang terbentuk adalah Nd2Fe14B. (Novrita, 2006).
Gambar 8. Magnet Permanen NdFeB
Magnet permanen Neodymium-Iron-Boron memiliki energi produk yang paling tinggi (mencapai 55 MGOe) dari keseluruhan material magnetik. Magnet NdFeB mempunyai dua proses utama; proses serbuk dan melt quenching. Energi produk yang tinggi dari tipe magnet ini berarti secara signifikan volume material yang dibutuhkan lebih kecil untuk penggunaan yang sama dengan magnet lain dalam
Universitas Sumatera Utara jumlah besar yang diproduksi seperti Alnico dan Ferrit. Akan tetapi, NdFeB memiliki kerugian, yaitu memiliki temperatur Curie yang rendah dan sangat rentan terhadap korosi.Temperatur Curie yang rendah (312ᵒC) ini menyebabkan magnet NdFeB tidak mungkin diaplikasikan pada suhu yang tinggi. (Matthew,2013).
2.5.2 Struktur Kristal NdFeB
Gambar 9.(a) Sel SatuanTetragonalNd2Fe14B (b)
PrismaTrigonalyangmengandung atom boron dalam strukturNd2Fe14B.
Sel satuan NdFeB memiliki struktur Kristal tetragonal yang kompleks. Gambar (2.9) menunjukkan skema struktur kristal Nd2Fe14B dan prisma trigonal yang
mengandung atom boron. Struktur tetragonal NdFeB mengandung 68atom. 2.6 Magnet Neodymium Iron Boron(NdFeB)
Secara umum magnet Neodymium Iron Boron (NdFeB) dikenal sebagai magnet tanah jarang.Manget Neodymium Iron Boron (NdFeB) adalah merupakan paduan yang berasal dari grup Lantanida pada sistem periodik unsur.Magnet Neodymium Iron Boron (NdFeB) adalah magnet bumi yang terbuat dari paduan unsur neodymium, besi dan boron untuk membentuk struktur Kristal tetragonal
Universitas Sumatera Utara Nd2Fe14B.Dikembangkan pada tahun 1982 oleh General Motors dan Sumitomo
Special Metals, magnet NdFeB adalah magnet permanen paling kuat yang dibuat (Fraden, 2010).
Hasil serbuk RE-Fe-B secara signifikan dapat ditingkatkan dengan Magnequench serbuk anisotropi. Proses ini merupakan tekstur pada struktur nano dari bahan MQA dan memberikan hasil yang unggul dalam satu orientasi tertentu, atau hasil anisotropi. Anisotropi MQA serbuk kemudian dapat dicampur dengan bahan pengikat yang sesuai, biasanya epoxy untuk cetak kompresi dan nilon untuk cetak injeksi. MQA serbuk/polimer komposit kemudian dicampur dan dimasukkan ke dalam cetakan, arah dalam medan magnet dan penentuan sementara medan magnet dapat menarik partikel serbuk MQA dalam arah yang diinginkan. Ada beberapa variasi teknik molding yang berkaitan dengan geometri, suhu dan bidang terapan. Tabel dibawah ini memperlihatkan komposisi serbuk Neodymium Iron Boron (NdFeB) komersil typeMQA-37-16.
Tabel 2.2 Komposisi Serbuk NdFeB komersil Type MQA-37-16
Substansi Persen Berat (% wt)
Neodymium (Nd) 25,7 Praseodymium (Pr) 3,6 Dysprosium (Dy) 1,5 Boron (B) 0,9 Cobalt (Co) 2,0 Gallium (G) 0,6 Iron (Fe) 65,7 Sumber: Maqnequench, 2009
2.6.1 Unsur Pemadu Pada MagnetNdFeB a. Neodymium(Nd)
Neodymium merupakan salah satu dari unsur tanah jarang yangmemiliki symbol Nd dan nomor atom 60. Neodymium ditemukan pada tahun 1885 oleh kimiawan Jerman Carl Auer von Welsbach. Neoymium tidak ditemukan secara alami dalam bentuk logam, namun dalam bentuk mineral yang merupakan campuran
Universitas Sumatera Utara oksida.Meskipun neodymium digolongkan sebagai unsur "tanah jarang", namun Neodymium merupakan unsur yang cukup umum, tidak jarang dari kobalt, nikel, dan tembaga, dan tersebar luas di kerak bumi. Sebagian besar neodymium dunia ditambang di Cina.Unsur ini termasuk kedalam kelompok unsur lantanida atau lanthanos.
Unsur – unsur lantanida atau lanthanos dikenal dengan nama fourteen elements, karena jumlahnya 14 unsur, seperti Cerium (Ce), Praseodymium (Pr), Neodymium (Nd), Promhetium (Pm), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm), Yterbium (Yb), dan Lutetium (Lu). Unsur ini digunakan dalam keramik untuk warna glasir, dalam paduan untuk magnet permanen, untuk lensa khusus dengan praseodymium.Juga untuk menghasilkan terang kaca ungu dan kaca khusus yang menyaring radiasi inframerah.
Gambar 10. Struktur Atom unsur Neodymium
Universitas Sumatera Utara b. Besi(Fe)
Besi adalah logam transisi yang paling banyak dipakai karena relatif melimpah di alam dan mudah diolah. Biji besi biasanya mengandung hematite (Fe2O3) yang
dikotori oleh pasir (SiO2) sekitar 10 %, serta sedikit senyawa sulfur, posfor,
aluminium dan mangan.(Syukri ,1999).
Besi juga diketahui sebagai unsur yang paling banyak membentuk bumi, yaitu kira-kira 4,7 - 5 % pada kerak bumi. Kebanyakan besi terdapat dalam batuan dan tanah sebagai oksida besi, seperti oksida besi magnetit (Fe3O4) mengandung besi 65 %, hematite (Fe2O3) mengandung 60 – 75 % besi, limonet (Fe2O3.H2O) mengandung besi 20 % dan siderit (Fe2CO3). Dari mineral – mineral bijih besi, magnetit adalah mineral dengan kandungan Fe paling tinggi, tetapi terdapat dalam julah kecil.Sementara hematite merupakan mineral bijih utama yang dibutuhkan dalam industry besi. Dalam kehidupan, besi merupakan logam paling biasa digunakan dari pada logam-logam yang lain. Hal ini disebabkan karena harga yang murah dan kekuatannya yang baik serta penggunaannya yangluas.
Gambar 11. Struktur Atom Unsur Besi
Tabel 2.4 Informasi Dasar Unsur Besi
Universitas Sumatera Utara c. Boron(B)
Boron adalah unsur golongan 13 dengan nomor atom lima. Boron memiliki sifat diantara logam dan nonlogam (semimetalik). Boron lebih bersifat semikonduktor daripada sebuah konduktor logam lainnya. Boron juga merupakan unsur metaloid dan banyak ditemukan dalam bijih borax. Unsur ini Tidak pernah ditemukan bebas dalamalam.
Gambar 12. Struktur Atom Unsur Boron
Universitas Sumatera Utara 2.7 FeMn(Ferromangan)
Mangan merupakan unsur dasar dalam paduan baja mangan struktural dan austenitic (Šalak, A., et al. 2001).Sebagai paduan, mangan dapat meningkatkan kekuatan, ketangguhan, pengerasan, kemampuan kerja dan abrasi resistensi dari produk besi, khususnya baja. Sekitar 90 - 95 dari keseluruhan jumlah mangan yang diproduksi di dunia digunakan dalam produksi besi dan baja dalam bentuk paduan seperti ferromangan dan siliconmangan (Çardakli, İ. S.2010).
Ferromangan dibedakan atas kandungan karbon yaitu high carbon ferromanganese (maks. 7% C), medium carbon ferromanganese (maks. 1-1,5% C), dan low carbon ferromanganese (maks. 0, 5% C). Ferromangan pada industri merupakan paduan multikomponen dengan melting temperature 1200-1250oC (Selecka, 2009). Pada penelitian ini FeMn yang digunakan adalah FeMn HC (high carbon). FeMn jenis ini pada umumnya dibuat dengan menggunakan blast furnace (Mardias, J.2016).
2.8 Metalurgi Serbuk
Metalurgi serbuk adalah metode yang dikembangkan dari proses manufaktur yang dapat mencapai bentuk komponen akhir dengan mencampurkan serbuk secara bersamaan dan dikompaksi dalam cetakan, dan selanjutnya dimagnetisasi dengan tegangan 1500 V.
Dua alasan mengapa sampel dalam bentuk serbuk:
(1) Penghematan biaya dibandingkan dengan proses alternatiflainnya (2) Diperoleh sifat-sifat yang unik (Suryanarayan, 2001).
Langkah-langkah dasar pada proses metalurgiadalah: 1. Preparasiserbuk
2. Pencampuran(mixing) 3. Magnetisasi (gaussmeter) 4. Penekanan(kompaksi) 5. Finishing
Universitas Sumatera Utara 2.9 Pencampuran (Mixing)
Ada 2 macam pencampuran, yaitu :
1. Pencampuran basah (wetmixing)
Wet milling merupakan proses pencampuran dimana serbuk matrik dan filler dicampur terlebih dahulu dengan pelarut polar. Metode ini dipakai apabila material yang digunakan mudah mengalami oksidasi. Tujuan pemberian pelarut polar adalah untuk mempermudah proses pencampuran material yang digunakan dan untuk melapisi permukaan material supaya tidak berhubungan dengan udara luar sehingga mencegah terjadinya oksidasi pada material yangdigunakan.
2. Pencampuran kering (drymilling)
Dry milling merupakan pencampuran yang dilakukan tanpa menggunakan pelarut untuk membantu melarutkan dan dilakukan di udara luar.
Metode ini dipakai apabila material yang digunakan tidak mudah mengalami oksidasi. Faktor penentu kehomogenan distribusi partikel antara lain:
1. Kecepatanpencampuran 2. Lamanya waktupencampuran 3. Ukuranpartikel 4. Jenismaterial 5. Temperatur 6. Mediapencampuran
Semakin besar kecepatan pencampuran, semakin lama waktu pencampuran, dan semakin kecil ukuran partikel yang dicampur, maka distribusi partikel semakin homogen. Kehomogenan campuran sangat berpengaruh pada proses penekanan (kompaksi), karena gaya tekan yang diberikan pada saat kompaksi akan terdistribusi secara merata sehingga ikatan partikel semakin baik.
2.10 Pencetakan (Kompaksi)
Kompaksi merupakan proses pemadatan serbuk menjadi sampel dengan bentuk tertentu sesuai dengan cetakannya.
Universitas Sumatera Utara 1. Cold compressing, yaitu penekanan dengan temperatur kamar. Metode ini
dipakai apabila bahan yang digunakan mudah teroksidasi, sepertiAl.
2. Hot compressing, yaitu penekanan dengan temperatur diatas temperatur kamar, metode ini dipakai apabila material yang digunakan tidak mudah teroksidasi. Pada proses kompaksi, gaya gesek ruang terjadi antar partikel yang digunakan dan antar partikel komposit dengan dinding cetakan akan mengakibatkan kerapatan pada daerah tepi dan bagian tengan tidak merata. Untuk menghindari terjadinya perbedaankerapatan, maka pada saat kompaksi digunakan lubricant/pelumas yang bertujuan untuk mengurangi gesekan antara partikel dan dinding cetakan. Dalam penggunaan lubricant/pelumas, dipilih bahan pelumas yang tidak reaktif terhadap campuran serbuk dan yang memiliki titik leleh rendah sehingga pada proses sintering tingkat awal lubricant dapat menguap.Terkait dengan pemberian lubricant pada proses kompaksi, maka terdapat 2 metode kompaksi, yaitu :
1. Die-wall compressing : penekanan dengan memberikan lubricant pada dindingcetakan.
2. Internal lubricant compressing : penekanan dengan mencampurkanlubricant pada material yang akan ditekan. (Julia, 2011).
Proses kompaksi dapat dilakukan dengan tiga prosedur yang berbeda yaitu: secara axial (medan magnetik paralel terhadap sumbu tekanan/ sumbu y), transversal (medan magnetik tegak lurus terhadap tekanan), atau isostatik (medan magnetik diberikan pertama sebelum serbuk dikompaksi yang kemudian dipress / kompaksi secara isostatik). Rasio orientasi butir lebih baik dilakukan dengan penekanan transversal dan isostatik, induksi remanen yang lebih baik sekitar 0,3 hingga 1,0 kG. Umumnya digunakan pencetak hidraulik dan mekanik.(Vlack,1984).
2.11 Karakterisasi Magnet Material
Karakterisasi material magnet dilakukan untuk mengetahui sifat-sifat dan kemampuan material.Pada penelitian ini dilakukan pengujian sifat fisis, mikrostruktur, dan sifat magnetik.
2.11.1 SifatFisis 2.11.1.1 Densitas
Universitas Sumatera Utara dalam satuan gram/cm3. Beberapa faktor yang mempengaruhi densitas adalah ukuran dan berat atom suatu elemen, kuatnya pengepakan atom dalam struktur kristal dan besarnya porositas dalam mikrostruktur. Densitas merupakan ukuran kepadatan dari suatu material. Pengukuran densitas yang dilakukan pada penelitian ini adalah true density dan bulk density. True densitymerupakankerapatan bahan padat sebenarnya dan tidak termasuk volume pori-pori terbuka maupun tertutup. True density yang tak lain adalah densitas serbuk ditentukan secara piknometris dengan persamaan:
(2.1)
Dengan :
ρs = True density sampel(g/cm3) m1 = Massa picnometer kosong(g)
m2 = Massa ketika media cair dimasukkan ke dalam picnometer(g) m3 = Massa ketika serbuk sampel dimasukkan ke dalam picnometer(g) m4 = Massa ketika serbuk sampel dan media cair dimasukkan ke
dalampicnometer (g)
Pengujian bulk density menggunakan metode Archimedes dengan mengukur massa kering sampel dan massa basahnya. Densitas sampel dapat dihitung menggunakan persamaan:
(2.2) Dengan :
𝜌𝜌s = densitas sampel (g/m3), mk= massa kering sampel (g), mb= massa basah sampel (g), dan 𝜌𝜌air = massa jenis air (g/m3
Universitas Sumatera Utara 2.11.2 Mikrostruktur
2.11.2.1 Particle Size Analyzer(PSA)
Ada beberapa cara yang dapat digunakan untuk mengetahui ukuran suatu partikel yaitu:
1. Metode Ayakan (SieveAnalysis) 2. Laser Diffractometer(LAS) 3. Metodesedimentasi
4. Electronical Zone Sensing(EZS) 5. Analisa gambar(Mikrografi) 6. Metodekromatografi
7. Ukuran aerosol submicron danperhitungan
Sieve Analysis (analisa ayakan) dalam dunia farmasi seringkali digunakan dalam bidang mikromeritik. Yaitu ilmu yang mempelajari tentang ilmu dan teknologi partikel kecil.Metode yang paling umum digunakan adalah analisa gambar (mikrografi).Metode ini meliputi metode mikroskopi dan metode holografi.Alat yang sering digunakan biasanya SEM, TEM, dan AFM.Namun seiring berkembangnya ilmu pengetahuan yang lebih mengarah ke era nanoteknologi, para peneliti mulai menggunakan Laser Diffraction (LAS).Metode ini dinilai lebih akurat bila dibandingkan dengan metode analisa gambar maupun metode ayakan (Sieve Analysis), terutama untuk sampel – sampel dalam orde nanometer maupun submikron. (Lusi,2011).Contoh alat yang menggunakan metode LAS adalah Particle SizeAnalyzer(PSA). Metode LAS dapat dibagi ke dalam dua metode:
1. Metode basah : metode ini menggunakan media pendispersi untuk mendispersikan materialuji.
2. Metode kering : metode ini memanfaatkan udara atau aliran udara untuk melarutkan partikel dan membawanya ke sensing zone. Metode ini baik digunakan untuk ukuran yang kasar, dimana hubungan antar partikel lemah dan kemungkinan untuk beralgomerasikecil.
Keunggulan penggunaan Particle Size Analyzer (PSA) untuk mengetahui ukuran partikel :
Universitas Sumatera Utara 1. Lebih akurat. Pengukuran partikel dengan menggunakan PSA lebih akurat jika dibandingkan dengan pengukuran partikel dengan alat lain seperti XRD ataupun SEM. Hal ini dikarenakan partikel didispersikan ke dalam media sehingga ukuran partikel yang terukur adalah ukuran dari singleparticle.
2. Hasil pengukuran dalam bentuk distribusi, sehingga dapat menggambarkan keseluruhan kondisisampel.
Pengukuran partikel menggunakan PSA biasanya menggunakan metode basah.Metode ini dinilai lebih akurat jika dibandingkan dengan kering ataupun pengukuran partikel dengan metode ayakan dan analisa gambar. Terutama untuk sampel – sampel dalam orde nanometer dan submicron yang biasanya memiliki kecenderungan algomerasi yang tinggi.Hal ini dikarenakan partikel terdispersi ke dalam media sehingga partikel tidak saling beralgomerasi (menggumpal).Dengan demikian ukuran partikel yang terukur adalah ukuran dari single particle.Selain itu hasil pengukuran dalam bentuk distribusi, sehingga hasil pengukuran dapat diasumsikan sudah menggambarkan keseluruhan kondisi sampel.Beberapa analisa yang dilakukan, antaralain:
1. Menganalisa ukuranpartikel.
2. Menganalisa nilai zeta potensial dari suatu larutansampel.
3. Mengukur tegangan permukaan dari partikel clay bagi industri keramik dan sejenisnya. Dimana hal ini akan berpengaruh pada struktur lapisan clay. Struktur lapisan clay ini sangat berpengaruh pada metode slipcasting.
4. Mengetahui zeta potensial koagulan untuk proses koagualasi partikel pengotor bagi industri WTP (Water TreatmentPlant).
5. Mengetahui ukuran partikel tegangan permukaan dari densitas pada emulsi yang digunakan pada produk – produk industri beverage. (Seong,2013)
2.11.2.2 X-Ray Diffraction(XRD)
X-ray diffractometer (XRD) merupakan alat untuk mengidentifikasi struktur kristal dan fasa dalam suatu bahan dengan memanfaatkan radiasi gelombang elektromagnetik sinar-X. XRD dilengkapi beberapa komponen penting seperti: tabung sinar-X, monokromator, detektor dan beberapa alat optiklain.
Universitas Sumatera Utara pijar untuk menghasilkan elektron-elektron, kemudian elektron-elektron tersebut dipercepat terhadap suatu target dengan memberikan suatu voltase tertentu dan menembak target dengan elektron. Ketika elektron-elektron mempunyai energi yang cukup untuk mengeluarkan elektron-elektron dalam target, spektrum karakteristik sinar-X dihasilkan.Spektrum ini terdiri atas beberapa komponen-komponen dan yang paling umum adalah Kα dan Kβ. Kα terdiri dari Kα1 dan Kα2. Kα1 mempunyai panjang gelombang sedikit lebih pendek dari Kα2. Panjang gelombang yang spesifik merupakan karakteristik dari bahan target (Cu, Fe, Mo, Cr). Kertas perak atau kristal monokromator akan menyaring dan menghasilkan sinar-X monokromatik yang diperlukan untukdifraksi.
Tembaga adalah bahan sasaran yang paling umum untuk difraksi kristal tunggal, dengan radiasi CuKα = 1,5406 Å. Saat sampel dan detektor diputar, intensitas Sinar-X pantul itu direkam. Ketika geometri dari peristiwa sinar-X tersebut memenuhi persamaan Bragg, interferensi konstruktif terjadi dan suatu puncak di dalam intensitas terjadi. Detektor akan merekam sinyal penyinaran ini dan mengkonversi sinyal itu menjadi suatu arus yang akan dikeluarkan pada layar komputer.
Pengujian ini merupakan aplikasi langsung dari pemakaian sinar-X untuk menentukan jarak antara kristal dan jarak antara atom dalam kristal. Suatu berkas sinar-X dengan panjang gelombang λ, jatuh pada sudut θ pada sekumpulan bidang atom berjarak d. Sinar yang dipantulkan dengan sudut θ hanya dapat terlihat jika berkas dari setiap bidang yang berdekatan saling menguatkan. Oleh sebab itu,jarak tambahan satu berkas dihamburkan dari setiap bidang yang berdekatan dan menempuh jarak sesuai dengan perbedan kisi, yaitu sebesar nλ. Untuk mengetahui fasa dan struktur material yang diamati dapat dilakukan dengan cara membandingkan nilai d yang terukur dengan nilai d pada data standar. Data standar dapat diperoleh melalui Joint Committee on Powder Diffraction Standards (JCPDS) atau dengan Hanawalt File (Izumi,2015).
2.11.2.3 Vibrating Sample Magnetometer(VSM)
Vibrating Sample Magnetometer (VSM) merupakan salah satu jenis peralatan yang digunakan untuk mempelajari sifat magnetik bahan. Dengan alat ini akan dapat diperoleh informasi mengenai besaran – besaran sifat magnetik sebagai akibat
Universitas Sumatera Utara perubahan medan magnet luar yang digambarkan dalan kurva histeresis, sifat magnetik bahan sebagai akibat perubahan suhu, dan sifat – sifat magnetik sebagai fungsi sudut pengukuran atau kondisi anisotropikbahan.
Salah keistimewaan VSM adalah merupakan vibrator elektrodinamik yang dikontrol menggunakan arus balik. Sampel dimagnetisasi dengan medan magnet homogen. Jika sampel bersifat magnetik, maka medan magnet akan memagnetisasi sampel dengan meluruskan domain magnet. Momen dipol magnet sampel akan menciptakan medan magnet di sekitar sampel, yang biasa disebut magnetic stray field. Ketika sampel bergetar, magnetic stray field dapat ditangkap oleh coil. Medan magnet tersebar tersebut akan menginduksi medan listrik dalam coil yang sebanding dengan momen magnetik sampel. Semakin besar momen magnetik, maka akan menginduksi arus yang semakin besar.
Dengan mengukur arus sebagai fungsi medan magnet luar, suhu maupun orientasi sampel, berbagai sifat magnetik bahan dapat dipelajari. Dalam penelitian ini, nilai magnetisasi diukur selain untuk mengetahui kemampuan magnetik nanosfer yang dihasilkan juga untuk mendapatkan informasi komposisi nanosfer. Karakterisasi sifat magnetik dengan VSM, Data yang diperoleh dari karakterisasi sifat magnet berupa kurva histeresis dengan sumbu x merupakan medan magnetyang menginduksi sampel dalam satuan Tesla dan sumbu y merupakan magnetisasi sampel dalam satuan emu/gram. (Lamsyah,2016)
2.11.2.4 Scanning Electron Microscopy(SEM)
Scanning Electron Microscopy (SEM) merupakan sejenis mikroskop yang menggunakan elektron sebagai pengganti cahaya untuk melihat benda dengan resolusi tinggi.Analisis SEM bermanfaat untuk mengetahui mikrostruktur (termasuk porositas dan bentuk retakan) benda padat.Berkas sinar elektron dihasilkan dari filamen yang dipanaskan, disebut electron gun.Sebuah ruang vakum diperlukan untuk preparasi cuplikan. (Gunawan dan Azhari,2010). Gambar yang dihasilkan oleh SEM memiliki karakteristik penampilan tiga dimensi, dan dapat digunakan untuk menentukan struktur permukaan dari sampel.Hasil gambar dari SEM hanya ditampilkan dalam warna hitam putih. (Novrita,2006).
SEM menerapkan prinsip difraksi elektron, dimana pengukurannya sama seperti mikroskop optik. Prinsipnya adalah elektron yang ditembakkan
Universitas Sumatera Utara akandibelokkan oleh lensa elektromagnetik dalam SEM.
SEM menggunakan suatu sumber elektron berupa pemicu elektron (electron gun) sebagai pengganti sumber cahaya. Elektron – elektron ini akan diemisikan secara termionik (emisi elektron dengan membutuhkan kalor, sehingga dilakukan pada temperatur yang tinggi) dari sumber elektron. Elektron – elektron yang dihasilkan adalah elektron berenergi tinggi, yang biasanya memiliki energi berkisar 20 keV – 200 keV atau sampai 1 MeV.Dalam prinsip pengukuran ini dikenal dua jenis elektron, yaitu elektron primer dan elektron sekunder.Elektron primer adalah elektron berenergi tinggi yang dipancarkan dari katoda (Pt, Ni, W) yang dipanaskan.Katoda yang biasa digunakan adalah tungsten (W) atau Lanthanum hexaboride (LaB6). Tungsten digunakan karena memiliki titik lebur yang paling
tinggi dan tekanan uap yang paling rendah dari semua meta, sehingga memungkinkannya dipanaskan pada temperatur tinggi untuk emisi elektron. Elektron sekunder adalah elektron yang berenergi rendah yang dibebaskan olehatom pada permukaan. Atom akan membebaskan elektron sekunder setelah ditembakkan oleh elektron primer. Elektron sekunder inilah yang akan ditangkap oleh detektor, dan mengubah sinyal tersebut menjadi suatu sinyal gambar.
Proses pemindaian (scanning process) SEM secara singkat dapat dijelaskan sebagai berikut. Sinar elektron, yang biasanya memiliki energi berkisar dari beberapa ribu eV hingga 50 kV, difokuskan oleh satu atau dua lensa kondenser menjadi sebuah sinar dengan spot focal yang sangat baik berukuran 1 nm hingga 5 μm. Sinar tersebut melewati beberapa pasangan gulungan pemindai (scanning coils) di dalam lensa objektif, yang akan membelokkan sinar itu dengan gaya raster di atas area berbentuk persegi dari permukaan sampel. Selagi elektron – elektron primer mengenai permukaan, mereka dipancarkan secara inelastis oleh atom – atom di dalam sampel. Melalui kejadian penghamburan ini, sinar elektron primer menyebar secara efektif dan mengisi volume berbentuk air mata, yang dikenal sebagai volume interaksi, memanjang dari kurang dari 100 nm hingga sekitar 5 nm ke permukaan. Interaksi di dalam wilayah ini mengakibatkan terjadinya emisi elektron sekunder, yang kemudian dideteksi untuk menghasilkan sebuah gambar. Elektron – elektron sekunder akan ditangkap oleh detektor, dan mengubah sinyal tersebut menjadi suatu sinyal gambar. Kekuatan cahaya tergantung pada jumlah elektron – elektron
Universitas Sumatera Utara sekunder yang mencapaidetektor.
Gambar 13. Scanning Electron Microscope (SEM) (www.google.com)
SEM memiliki beberapa keunggulan, seperti kemampuan untuk menggambar area yang besar secara komparatif dari specimen, kemampuan untuk menggambar materi bulk, dan berbagai mode analitikal yang tersedia untuk mengukur komposisi dan sifat dasar dari spesimen. Tergantung dari instrumen,resolusi dapat jatuh di suatu tempat diantara kurang dari 1 nm dan 20 nm.Pembesaran gambar dari resolusi SEM yang tinggi dipengaruhi oleh besarnyaenergi elektron yang diberikan.Semakin kecil panjang gelombangyang diberikan oleh elektron, energinya semakin besar, sehingga resolusinya juga semakin tinggi.Preparasi sampel pada SEM harus dilakukan dengan hati – hati karena memanfaatkan kondisi vakum serta menggunakan elektron berenergi tinggi.Sampel yang digunakan harus dalam keadaan kering dan bersifat konduktif (menghantarkan elektron). Bila tidak, sampel harus dibuat konduktif terlebihdahulu oleh pelapisan dengan karbon, emas, atau platina. (Marlina,2007).
2.11.2.5 Energy Dispersive X-ray Spectroscopy(EDX)
Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS atau EDX atau EDAX) adalah salah satu teknik analisis untuk menganalisis unsur atau karakteristik kimia dari spesimen. Karakterisasi ini bergantung pada penelitian dari interaksi beberapa eksitasi sinar X dengan spesimen.Kemampuan untuk mengkarakterisasi sejalan dengan sebagian besar prinsip dasar yang menyatakan bahwa setiap elemen memiliki struktur atom yang unik, dan merupakan ciri khas dari struktur atom suatu unsur, sehingga memungkinkan sinar X untuk mengidentifikasinya. Untuk merangsang
Universitas Sumatera Utara emisi karakteristik sinar-X dari sebuah spesimen, sinar energi tinggi yang bermuatan partikel seperti elektron atau proton, atau berkas sinar X, difokuskan ke spesimen yang yang akan diteliti. Selanjutnya sebuah atom dalam spesimen yang mengandung elektron dasar di masing-masing tingkat energi atau kulit elektron terikat pada inti.Sinar yang dihasilkan dapat mengeksitasi elektron di kulit dalam dan mengeluarkannya dari kulit, sehingga terdapat lubang elektron di mana elektron itu berada sebelumnya. Sebuah elektron dari luar kulit yang berenergi lebih tinggi kemudian mengisi lubang, dan perbedaan energi antara kulit yang berenergi lebih tinggi dengan kulit yang berenergi lebih rendah dapat dirilis dalam bentuk sinar X. Jumlah dan energi dari sinar-X yang dipancarkan dari spesimen dapat diukur oleh spektrometer energi-dispersif. Energi dari sinar X yang dihasilkan merupakan karakteristik dari perbedaan energi antara duakulit,dan juga karakteristik struktur atom dari unsur yang terpancar, sehingga memungkinkan komposisi unsur dari spesimen dapat diukur. Pengujian EDX ini dilakukan untuk mengetahui komposisi yang terkandung pada permukaan plat.
Gambar 14. Skema EDX (Energy Dispersive X-Ray) (www.wikipedia.com) 2.11.2.6 Prinsip Kerja SEM-EDX
SEM membentuk suatu gambar dengan menembakkan suatu sinar electron berenergi tinggi, biasanya dengan energi dari 1 hingga 20 keV, melewati sampel dan kemudian mendeteksi Secondary Electron dan Back Scattered Electron yang dikeluarkan.
Secondary Electron berasal pada 5-15 nm dari permukaan sampel dan memberikan informasi topografi dan untuk tingkat yang kurang, pada variasi unsur dalam sampel. Back Scattered Electron terlepas dari daerah sampel yang lebih dalam
Universitas Sumatera Utara dan memberikan informasi terutama pada jumlah atom rata-rata dari sampel. Peristiwa tumbukan berkas sinar elektron, yaitu ketika memberikan energi pada sampel, dapat menyebabkan emisi dari sinar-X yang merupakan karakteristik dari atom-atom sampel.Energi dari sinar-X digolongkan dalam suatu tebaran energi spektrometer dan dapat digunakan untuk identifikasi unsur-unsur dalam sampel. ( Novrita,2006).
