Analisis Struktur Kristal dan Mikrostruktur Serbuk Nd 2 Fe 14 B Hasil Proses Mechanical Alloying

Transkripsi

1 Prijo Sardjono / Analisis Struktur Kristal Dan Mikrostruktur Serbuk Nd2Fe14B Hasil Proses Mechanical Alloying 29 Analisis Struktur Kristal dan Mikrostruktur Serbuk Nd 2 Fe 14 B Hasil Proses Mechanical Alloying Prijo Sardjono, Muljadi Pusat Penelitian Fisika-LIPI Kawasan Puspiptek Serpong Tangerang Selatan prij002@lipi.go.id Abstrak Telah di analisa struktur kristal dan analisa mikrostruktur dari serbuk Nd 2 Fe 14 B yang disintesis melalui metode mechanical alloying. Mechanical alloying adalah sebuah metode reaksi padatan (solid state reaction) dari pencampuran beberapa logam dengan memanfaatkan proses deformasi untuk membentuk suatu paduan. Paduan Nd 2 Fe 14 B dibuat melalui proses milling basah dengan variasi waktu milling selama 10, 20, dan 40 jam. Proses milling basah ini sangat efektif selain melindungi sample berinteraksi dengan oksigen juga sangat membantu pembentukan fasa Nd 2 Fe 14 B dengan baik. Hasil refinement pola difraksi sinar-x menunjukkan bahwa telah terjadi pertumbuhan fasa Nd 2 Fe 14 B optimum pada milling selama 40 jam dan diperoleh fasa Nd 2 Fe 14 B sebesar 69,46 %. Dan hasil pengamatan dengan menggunakan Scanning Electron Microscope menunjukkan bahwa pembentukan fasa Nd 2 Fe 14 B terdiri dari empat tahapan, yaitu proses pengecilan serbuk, proses penyatuan serbuk, proses pembentukan fasa baru, dan pengecilan butiran fasa baru. Kata kunci: magnet permanen, Nd 2 Fe 14 B, mechanical alloying, reaksi padatan. Abstract The analysis of crystall structure and microstructure analysis at Nd 2 Fe 14 B from mechanical alloying have been done. The mechanical alloying is a solid states reaction of some metals by using of deformation process to form a compound. The Nd, Fe and B powders are mixed and milled with the variation of milling time 10, 20, and 40 hours. The process of wet milling can protect sample from oxygen interaction and support the formation of Nd 2 Fe 14 B phase. The measurement result of x-ray diffractions show that the obtimum Nd 2 Fe 14 B phase already formed about 69,46 % after milling 40 hours. The result of Scanning Electron Microscope show that the formation of Nd 2 Fe 14 B phase consist of four process, i.e. reduce powder size, welding predominance process, formation of new phase, and reduce powder size of new phase. Key words: permanent magnet, Nd 2 Fe 14 B, mechanical alloying, solid reaction I. PENDAHULUAN Nd 2 Fe 14 B merupakan salah satu jenis magnet permaen yang berbasis logam tanah jarang. Dari beberapa macam bahan magnet tersebut yang memiliki sifat kemagnetan yang tinggi dan menjadi trend material magnet kedepan adalah magnet berbasis Nd-Fe-B. Pada era kemajuan teknologi dimana material magnet berbasis Nd-Fe-B banyak dibutuhkan oleh industri-industri motor listrik, industri otomotif, industri elektronik, dan industri generator listrik[1]. Senyawa Nd 2 Fe 14 B, ini dibentuk dari reaksi antara serbuk Neodymium (Nd), serbuk besi (Fe), dan serbuk Boron (B). Ada beberapa teknologi untuk membuat serbuk Nd 2 Fe 14 B yaitu umumnya digunakaan melalui proses peleburan pada suhu tinggi yaitu o C menggunakan Arc Furnace dan atmosfir diisolasi dengan gas innert seperti Nitrogen atau Argon [2]. Pada saat melebur terjadilah reaksi antara Nd Fe - B membentuk senyawa Nd 2 Fe 14 B. Dengan teknologi tersebut tentunya membutuhkan energi listrik yang besar dan biata produksi yang tinggi, dan secara teknis operasionalnya cukup sulit. Atas dasar tersebut dilakukan alternatif cara lain untuk membuat senyawa Nd 2 Fe 14 B dengan biaya lebih ringan dan lebih mudah produksinya. Yaitu dengan menggunakan teknik mechanical alloying dimana serbuk serbuk Nd, Fe, dan B sebagai bahan baku dicampur serta digiling menggunakan high enrgy milling (HEM) dengan putaran tinggi rpm dalam waktu tertentu akan terjadi tumbukan antara bola-bola penumbuk dengan serbuk bahan yang ada didalam jar. Akibat adanya tumbukan secara terus menerus, material serbuk akan saling hancur dan berubah bentuk dan lama-lama timbul efek panas dan atom-atom bervibrasi dan terjadi proses difusi maka akan terjadi reaksi membentuk senyawa Nd 2 Fe 14 B. Melalui proses mechanical alloying dengan cara milling perlu diperhatikan atmosfirnya, logam Nd, dan Fe sangat mudah berinteraksi dengan oksigen sehingga mudah terkorosi pada suhu ruang. Oleh karena itu proses milling dilakukan secara basa yaitu menggunakan media cairan toluen sehingga serbuk Nd dan Fe dapat terisolir dari oksigrn selama proses milling. Pada penelitian yang dilakukan ini di variasi waktu milling untuk mengetahui sejauh mana pembentukkan fasa Nd2Fe14B serta untuk menganalisisnya dipergunakan metoda analisa difraksi sinar X. Disamping

2 30 Prijo Sardjono / Analisis Struktur Kristal Dan Mikrostruktur Serbuk Nd2Fe14B Hasil Proses Mechanical Alloying itu diamati pula mikrostrukturnya menggunakan Scanning Electron Microscope. II. LANDASAN TEORI A. Material Magnet Permanen Magnet permanen dapat dibuat dari bahan keramik berbasis oksida besi seperti Ferrite BaO6Fe 2 O 3 dan SrO6Fe 2 O 3, dan dapat dibuat dari bahan berbasis logam atau alloy seperti misalnya : AlNiCo,SmCo, dan Nd 12 Fe 14 B [1] Nd-Fe-B magnet adalah tergolong salah satu jenis magnet permanen yang memiliki Max Energy Product [BH]max 2 sampai 4 kali dari magnet permanen Ba/Sr Ferrite. Pada Tabel 1 diperlihatkan perbandingan sifat-sifat magnet dari beberapa jenis magnet permanen. yang sangat memungkinkan sekali akan meningkatkan biaya proses pembuatan bahan ini. Selama proses mechanical alloying, serbuk-serbuk Nd, Fe dan B secara periodik terjebak diantara bola-bola yang saling bertumbukan secara plastis terdeformasi. Bola-bola yang saling bertumbukan tersebut menyebabkan perpatahan, kemudian terjadi penyatuan dingin (cold welding) dari serbuk-serbuk secara elementer seperti yang di illustrasikan pada Gambar 1. Tabel 1. Sifat-sifat magnet dari beberapa jenis magnet permanen. [3] Jenis Magnet Remanensi Br, T Koersivitas Hc, MA./m Energy Produk (BH)max, kj.m 3 Sr-Ferrit 0,43 0,20 34 Alnico 5 1,27 0,05 44 SmCo5 1,05 1, Nd 2 Fe 14 B 1,36 1, B. Pembuatan Serbuk NdFeB Nd 2 Fe 14 B ini dibuat melalui proses pencampuran secara stoikiometri antara logam neodymium (Nd), besi (Fe) dan boron (B). Berbagai proses telah banyak dilaporkan oleh para peneliti diantaranya proses metalurgi serbuk, arc melting, melt spinning, dan mechanical alloying [4]. Mengingat bahwa unsur-unsur logam pembentuknya memiliki karakteristik yang berbeda-beda sehingga terkadang dalam pelaksanaannya banyak mengalami kesulitan. Neodymium memiliki titik leleh pada suhu 1010 o C, besi memiliki titik leleh pada suhu 1535 o C, sedangkan boron memiliki titik leleh pada suhu 2079 o C. Berangkat dari perbedaan titik leleh unsurunsur pembentuknya ini yang relatif besar, maka proses seperti metalurgi serbuk, arc melting, bahkan melt spinning sering mengalami kesulitan pada pelaksanaannya. Dengan demikian banyak para industriawan yang berlomba-lomba untuk membuat bahan ini melalui proses mechanical alloying. Mechanical alloying adalah sebuah teknik pencampuran yang berupa metode reaksi padatan (solid state reaction) dari beberapa logam (alloy) dengan memanfaatkan proses deformasi untuk membentuk suatu paduan. Proses mechanical alloying ini sangat berbeda dengan teknik konvensional, misalkan proses pemanasan (heat treatment) baik sintering maupun peleburan (melting) dan reaksi kimia. Derajat deformasi yang dicapai pada teknik konvensional ini jauh lebih rendah dibandingkan dengan teknik mechanical alloying [2]. Namun untuk mendapatkan hasil paduan NdFeB dengan kemurnian tinggi ini tidaklah mudah. Disamping proses ini sangat mudah, juga relative murah karena proses ini tidak membutuhkan proses pemanasan pada suhu tinggi Gambar 1. Proses tumbukan bola-bola di media milling. [5] Ketika waktu milling meningkat, fraksi volume unsurunsur dari bahan dasar menurun, sedangkan fraksi volume paduan meningkat. Ukuran, bentuk, kerapatan serbuk, dan derajat kemurnian mempengaruhi hasil akhir paduan. Ada empat tahapan dalam mechanical alloying menurut teorema Benyamin dan Volin [5]. Tahap petama adalah proses perataan serbuk dari bentuk bulat menjadi bentuk pipih (plat like) dan kemudian mengalami penyatuan (welding prodominance). Serbuk yang sudah diratakan (bentuk pipih) disatukan membentuk sebuah lembaran (lamellar). Kemudian tahapan kedua adalah pembentukan serbuk pada arah yang sama (equiaxed), yaitu menyerupai lembaran berbentuk lebih pipih dan bulat. Perubahan bentuk ini disebabkan oleh pengerasan (hardening) dari serbuk. Tahap ketiga adalah orientasi penyatuan acak (welding orientation) yaitu fragmenfragmen membentuk partikel-partikel equaxed kemudian disatukan dalam arah yang berbeda dan struktur lembaran mulai terdegradasi. Tahap keempat mechanical alloying ini adalah proses steady state (steady state processing), struktur bahan perlahan-lahan menghalus menjadi fragmen-fragmen, kemudian fragmen-fragmen tersebut disatukan dengan fragmen-fragmen yang lain dalam arah berlawanan. III. METODE PENELITIAN/EKSPERIMEN Untuk menghasilkan material serbuk dengan struktur Nd 2 Fe 14 B dilakukan preparasi serbuk Nd-Fe-B melalui proses mechanical alloying. Teknik yang diterapkan adalah melalui proses High Energy Milling (HEM) dengan variasi waktu milling : 10, 20 dan 40 jam Bahan baku yang digunakan dalam proses mechanical alloying adalah serbuk produk Aldrich dengan tingkat kemurnian 99,80 % yaitu : serbuk Nd [pa],serbuk Fe [pa], dan serbuk B [pa]. Sebagai bahan pembantu agar material tidak terkorosi digunakan media cair Toluen. Paduan NdFeB dibuat sebanyak 15 gram yang terdiri dari campuran antara Neodymium (Nd), Besi (Fe) dan Boron (B). dengan perbandingan stokiometri unsur Nd :

3 Prijo Sardjono / Analisis Struktur Kristal Dan Mikrostruktur Serbuk Nd2Fe14B Hasil Proses Mechanical Alloying 31 Fe : B = 2 : 14 : 1. Dan berdasarkan teorema mesh ratio sama dengan 8, untuk massa sampel sebanyak 15 gram diperlukan massa bola-bola sejumlah 120 gram. Serbuk Nd, Fe dan B ini dicampur di dalam vial dan ditambahkan toluen untuk menghindari terjadinya oksidasi. Selanjutnya di milling menggunakan HEM dengn kecepatan 4500 rpm, serta waktu milling divariasi : 10 jam, 20 jam dan 40 jam. Sampel yang telah di milling dianalisa struktur kristalnya menggunakan difraksi sinar X. Untuk mngetahui ukuran butiran di lakukan observasi dengan SEM [Scanning Electron Microscope). Gambar 3 tampak hasil refinement pola difraksi sinar-x menunjukkan bahwa sampel terdiri dari tiga fasa, yaitu fasa Nd, Fe, dan B yang berturut-turut memiliki fraksi massa sebesar %, %, dan 0.98 % berat. Hasil ini memberikan konfirmasi bahwa sampel sebelum milling (campuran awal) memiliki perbandingan stoikiometri yang sudah sesuai dengan yang diharapkan. Foto SEM campuran awal (sebelum milling) diperlihatkan pada Gambar 4 sebagai berikut. IV. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil pengukuran difraksi sinar-x dari campuran Nd- Fe-B masing-masing keadaan (sebelum di proses milling) ditunjukkan seperti pada Gambar 2. Gambar 4. Foto SEM Sampel dari campuran Nd,Fe, dan B sebelum milling. 2θ Gambar 2. Pola difraksi sinar X dari campuran unsur unsur Nd, Fe, B sebelum di milling. Pada Gambar 2 terlihat pada kondisi awal (original) tampak dari profil difraksi sinar-x menunjukkan bahwa campuran tidak mengandung impuritas dan hanya terdiri dari fasa Nd, Fe dan B. Setelah melalui refinment melalui program GSASS diperlihatkan pada Gambar 3, pada Gambar 3. Profil obsevasi dan kalkulasi dari pola difraksi sinar-x sampel yang sebelum milling. Dan berdasarkan hasil pengamatan morfologi permukaan menggunakan SEM menunjukkan bahwa campuran memiliki ukuran partikel yang relatif kecil sekitar 1-3 µm dan tampak terdistribusi secara merata di seluruh permukaan sampel sehingga diharapkan campuran ini secara visual telah homogen. Pada awalnya campuran hanya terdiri dari serbuk Nd, Fe dan B yang masih berdiri sendiri-sendiri. Kemudian campuran di milling selama 10 jam, 20 jam dan 40 jam. Hasil pengukuran difraksi sinar-x dari campuran Nd-Fe-B masing-masing keadaan dan sebelum di milling ditunjukkan pada kurva gabungan pola difraksi sinar X dari semua sampel seperti ditunjukkan pada Gambar 5. Pada Gambar 5 terlihat pada kondisi awal (original) tampak dari profil difraksi sinar-x menunjukkan bahwa campuran tidak mengandung impuritas dan hanya terdiri dari fasa Nd, Fe dan B. Kemudian setelah milling selama 10 jam, tampak terjadi perubahan fasa yang diduga telah terbentuk fasa FeB dan Nd 2 Fe 14 B, walaupun masih mengandung fasa dari unsur awal pembentuknya dengan jumlah fraksi diduga relatif menurun. Selanjutnya setelah dilakukan milling selama 20 jam tampak ada fasa-fasa yang menurun dan ada fasa yang meningkat seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5, dan setelah dilakukan milling selama 40 jam berikutnya telah terbentuk fasa baru yang diduga adalah fasa Nd 2 Fe 14 B. Untuk lebih jelasnya mengetahui pertumbuhan fasa dapat dilihat pada gambar hasil refinenment dari masing-masing kurva XRD yang telah di milling 10, 20 dan 40 jam seperti diperlihatkan pada Gambar 6, 7 dan 8.

4 32 Prijo Sardjono / Analisis Struktur Kristal Dan Mikrostruktur Serbuk Nd2Fe14B Hasil Proses Mechanical Alloying Gambar 5. Kurva gabungan pola difraksi dari masingmasing sampel yang telah di milling 0 jam (original), 10, 20, dan 40 jam. Gambar 7. Hasil refinenment pola difraksi sinar X sampel yang dimilling 20 jam. Gambar 8. Hasil refinenment pola difraksi sinar X sampel yang dimilling 40 jam. Gambar 6. Hasil refinenment pola difraksi sinar X Sampel yang dimilling 10 jam. Sedangkan puncak-puncak boron (B) sudah hilang pada milling 10 jam ini. Hal ini diduga sebagian dari fasa-fasa tersebut sudah mulai bereaksi satu sama lain membentuk paduan. Namun pertumbuhan fasa Nd 2 Fe 14 B ini diikuti dengan pertumbuhan fasa FeB, sehingga reaksi yang terjadi setelah mill selama 10 jam seperti persamaan reaksi berikut : 2Nd + 14Fe + B 0.14Nd 2 Fe 14 B FeB Nd Fe (1) Puncak-puncak fasa Fe seperti pada Gambar 7 masih banyak terlihat walaupun intensitasnya mulai menurun secara signifikan. Hal ini berarti sebagian serbuk Nd telah bereaksi dengan FeB membentuk fasa Nd 2 Fe 14 B seperti persamaan reaksi berikut : 0.14Nd 2 Fe 14 B FeB Nd Fe 0.42Nd 2 Fe 14 B FeB Nd Fe (2) Pada tahap ini (milling 40 jam) hampir sebagian besar telah terbentuk fasa Nd 2 Fe 14 B walaupun masih menyisakan fasa Nd, Fe, dan FeB. Dari hasil refinement pola difraksi sinar-x menunjukkan bahwa kandungan terakhir campuran ini terdiri dari fasa Nd 2 Fe 14 B, Nd, Fe dan FeB sesuai dengan persamaan reaksi sebagai berikut : 0.42Nd 2 Fe 14 B FeB Nd Fe 0.69Nd 2 Fe 14 B + 0.4FeB Nd Fe (3) Hasil ini menunjukkan bahwa makin lama proses milling fraksi massa fasa Nd 2 Fe 14 B semakin meningkat. fasa Nd 2 Fe 14 B tumbuh dengan sangat baik disekitar sudut 42 o. Dari hasil refinement pola difraksi sinar-x hasil milling selama 40 jam ini menunjukkan bahwa terjadi penurunan puncak Nd dan FeB berturut-turut menjadi sebesar 1.11 % dan 2,47 %, sedangkan terjadi pertumbuhan yang signifikan dari fasa Nd 2 Fe 14 B sebesar 69,46 %. Hasil observasi mikrostruktur menggunakan SEM dari sampel yang telah di milling 10, 20 dan 40 jam dapat dilihat pada Gambar 9.

5 Prijo Sardjono / Analisis Struktur Kristal Dan Mikrostruktur Serbuk Nd2Fe14B Hasil Proses Mechanical Alloying jam milling 20 jam milling 40 jam milling Gambar 9. Foto SEM dari sampel yang telah di milling 10, 20, dan 40 jam. Bentuk ukuran butiran sebelum di milling memiliki ukuran 1-3 µm dan bentuknya cenderung bulat (pada Gambar 4). Tetapi setelah di milling dengan HEM bentuk butiran menjadi irregular seperti ditunjukkan pada gambar 9. Setelah milling selama 10 jam dieroleh ukuran butiran sekitar 1-8 µm, setelah milling 20 jam ukuran butir menjadi sekitar 1-3 µm dan setelah milling 40 jam diperoleh ukuran butir sekitar < 2 µm dan terjadi aglomerasi dari beberapa butiran. V. KESIMPULAN Telah dilakukan sintesis Nd 2 Fe 14 B dengan menggunakan teknik mechanical alloying. Hasil refinement dari pola difraksi sinar-x sampel Nd 2 Fe 14 B dari hasil mechanical alloying menunjukkan bahwa hasil fitting antara observasi dan kalkulasi sudah relatif baik. Hasil refinement pola difraksi sinar-x (XRD) menunjukkan bahwa telah terjadi pertumbuhan fasa Nd 2 Fe 14 B pada milling selama 10, 20, dan 40 jam. Pada sampel yang telah di milling 40 jam terbentuk fasa Nd 2 Fe 14 B sebesar 69,46 %. Dan hasil pengamatan dengan menggunakan scanning electron microscope (SEM) menunjukkan bahwa mekanisme pembentukan Nd 2 Fe 14 B dengan metode mechanical alloying sangat bersesuaian dengan ilustrasi yang disampaikan oleh Benyamin dan Volin. Jadi dengan proses milling basah ini sangat efektif selain melindungi sample berinteraksi dengan oksigen juga sangat membantu pembentukan fasa Nd 2 Fe 14 B dengan baik. semakin lama proses milling, maka fraksi massa fasa Nd 2 Fe 14 B semakin meningkat. UCAPAN TERIMA KASIH Kami ucapkan terima kasih kepada Sdr Wisnu Ariadi dari PTBIN Batan yang telah banyak membantu menganalisis hasil XRD dengan program GSAAS. Kami ucapkan juga terima kasih kepada Ketua Program Kegiatan Kompetitip LIPI yang telah membantu biaya atas terlaksananya kegiatan ini pada tahun anggaran PUSTAKA [1] Bahadur D., S. Rajakumar and Ankit Kumar, Influence of Fuel Ratios on Auto Combustion Syntehesis of Barium Ferrite Nano Particles, J. Chem. Sci., Vol., 118, No. 1, 2006, pp [2] David Brown, Bao-Min Ma, Zhongmin Chen, Developments in the processing and properties of NdFebtype permanent magnets, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 248, 2002, [3] Collocott, S.J., Dunlop, J. B., Lovatt, H.C and. Ramsden, V.S, Rare-Earth Permanent Magnets: New Magnet Materials And Applications, CSIRO Division of Telecommunications and Industrial Physics, Lindfield, NSW, Australia, [4] Takata M, Nguyen Van Vuong, Doan Minh Thuy, Nguyen Trung Hien, Le Tuan Tu, Nd-Fe-B Melt Spun Powder Quality Estimation Based On Stoner-Wolfhfart Model, Communication in Physics, Vo. 14, No. 1, 2004, pp [5] HARRIS, J.R., Matemathical Modelling of Mechanical Alloying, Thesis submitted to The University of Nottingham for the degree of Doctor of Physlosophy, Sepetember TANYA JAWAB Priyono, UNDIP? a. Bagaimana untuk mengatasi terbentuknya oksida untuk mengatasi terbentuknya Na2O3 b. Dilihat darifasa-fasa yang terbentuk masih munculfasa diluar Na2Fe14B.Bagaimana mengatasinya Mulijadi/ Prijo Sarjono, Fisika - LIPI a. Mencegah terbentuknya Na2O3, perlu digunakan Toluen sebagai media milling. b. Dengan milling menggunakan HEM selama 40 jam baru terbentuk 69% Na2Fe14B. Belum dapat dihasilkan 100%

6 34 Prijo Sardjono / Analisis Struktur Kristal Dan Mikrostruktur Serbuk Nd2Fe14B Hasil Proses Mechanical Alloying Muhammad Musta in, Physics Department of UNS? Apakah hasil dari proses mechanical alloying akan sama dengan proses peleburan dengan menggunakan suhu tinggi? Prijo Sardjono, LIPI Untuk hasilnya masih diteliti dan perlu proses selanjutnya, akan tetapi fasanya telah sesuai. Yang jelas metode mechanical alloying lebih mudah dibandingkan dengan proses peleburan dengan suhu sekitar C