ANALISIS SIFAT MEKANIK DAN MAGNET TERHADAP VARIASI MATRIKS POLIESTER DAN SILICONE RUBBER PADA MAGNET PERMANEN BONDED Pr-Fe-B Candra Kurniawan 1), Hilda Ayu Marlina 2) Perdamean Sebayang 1) 1) Pusat Penelitian Fisika LIPI Kawasan PUSPIPTEK, Tangerang Selatan, 15314 Telp : (021) 7560570, Fax : (021) 7560554 2) Jurusan Fisika, FMIPA, Universitas Sumatera Utara Jl. Bioteknologi No. 1, Kampus USU, Medan, 20155 E-mail : cand002@lipi.go.id ABSTRAK Pemilihan matriks sebagai binder dalam pembuatan magnet bonded memiliki korelasi terhadap sifat fisis dan magnet yang berkaitan dengan sifat intrinsik bahan magnet seperti temperatur kerja serta temperatur Curie. Dalam tulisan ini dibahas pengaruh variasi matriks poliester dan silicone rubber terhadap sifat mekanik dan magnet pada pembuatan magnet bonded Pr-Fe-B. Matriks poliester dan silicone rubber digunakan dengan variasi komposisi 2, 4, 6, dan 8 %wt. Proses kompaksi dilakukan dengan metode compression moulding. Proses curing pada binder poliester dan silicone rubber masing-masing dilakukan pada temperatur 150 o C dan suhu kamar. Karakterisasi yang dilakukan antara lain pengukuran densitas, uji mekanik seperti kuat tekan dan kekerasan brinell, dan analisis densitas fluks magnetik menggunakan Gaussmeter. Analisis mikrostruktur juga dilakukan dengan melalui pencitraan SEM. Berdasarkan karakterisasi yang dilakukan dihasilkan bahwa penggunaan temperatur tinggi pada proses curing mengakibatkan menurunnya sifat intrinsik magnetik secara umum. Dari uji mekanik disimpulkan bahwa dibandingkan pada binder poliester, penggunaan binder silicone rubber menghasilkan sifat mekanik yang semakin menurun pada pengujian kuat tekan dan kekerasan brinell. Namun demikian, sifat magnet pada bonded Pr-Fe-B menggunakan binder silicone rubber mampu menghasilkan densitas fluks magnetik maksimum yang tinggi dibandingkan pada penggunaan binder poliester. Selain itu, distribusi serbuk pada penggunaan kedua polimer sebagai matriks tersebut perlu diperhatikan, yang berkaitan dengan nilai densitas fluks rata-rata yang baik pada penggunaan binder poliester. Kata Kunci: bonded Pr-Fe-B, matriks, kuat tekan, kekerasan Brinell, densitas fluks magnetik. ABSTRACT The selection of the binder as a matrix in the making of bonded magnet correlated to the mechanical properties and intrinsic properties of magnetic materials such as compressive, hardness, and the working and Curie temperature. This paper discussed the effect of binder variation of polyester and silicone rubber on the mechanical and magnetic properties of the bonded magnets Pr-Fe-B. Variation of polyester and silicone rubber composition was 2, 4, 6, and 8 wt% with compression molding process method. The curing process of moulded magnet using binder polyester and silicone rubber was at a temperature of 150 C and room temperature respectively. Characterization performed include density measurements, mechanical tests such as compressive strength and hardness Brinell, and magnetic flux density measurement.
Microstructural analysis was also performed using SEM imaging methods. Based on the characterization performed result that in a high temperature curing process resulted generally decreased of intrinsic magnetic properties. Mechanical tests result concluded that compared to poliester binder, the use of silicone rubber produces a decrease in the mechanical properties of compressive strength and hardness testing Brinell. However, the magnetic properties of the bonded Pr-Fe-B using silicone rubber binder capable of producing the higher maximum value of magnetic flux density than poliester binder samples. Moreover, the distribution of powder on the use of both polymers as a matrix need to be considered, relating to the value of the average flux density is better to the use of poliester binder. Keywords: bonded Pr-Fe-B, matrix, compressive, Brinell hardness, magnetic flux density. PENDAHULUAN Magnet permanen merupakan salah satu material strategis yang berperan penting dalam aplikasi bidang energi, sensor, dan elektronika. Sejak ditemukannya pada tahun 1984 secara terpisah oleh dua grup penelitian di Sumitomo, Jepang dan General Motor, USA [1,2], Magnet permanen berbasis tanah jarang dengan komponen fasa Nd-Fe-B dan Pr-Fe-B telah dikenal sebagai jenis magnet permanen metalik yang memiliki kualitas magnet terbaik hingga saat ini. Dalam prosesnya, pembuatan magnet permanen ini dapat dilakukan melalui 2 cara, yaitu teknik metalurgi serbuk yang dikenal dengan sintered magnet, dan metode bonded magnet dengan mencampurkan serbuk Nd/Pr-Fe-B dengan material binder (sebagai lem) sehingga didapatkan magnet komposit dengan matriks polimer dan sebagai filler adalah serbuk magnet Nd/Pr-Fe-B. Dibandingkan proses sintered magnet, pembuatan magnet komposit polimer-nd-fe-b memiliki beberapa kelebihan antara lain dapat dibentuk secara presisi dan proses heat treatment/curing pada suhu relatif rendah (< 200 o C) [3]. Pemilihan matriks sebagai binder dalam pembuatan magnet bonded memiliki korelasi terhadap sifat fisis dan magnet yang berkaitan dengan sifat intrinsik bahan magnet seperti temperatur kerja serta temperatur Curie. Pembuatan magnet bonded NdFeB dapat dilakukan dengan menggunakan berbagai macam matriks polimer tergantung kualitas mekanik yang diinginkan dan tujuan aplikasinya. Diantara material polimer yang biasa digunakan sebagai binder antara lain adalah Epoxy Resin, Silicone Rubber, Natural Rubber, LLDPE, PEHD, HDPE, Polypropylene (PP), dan Bakelite [4-6]. Dengan demikian, diperlukan pemahaman mengenai pengaruh pemilihan bahan polimer sebagai binder dan efek variasi komposisi material binder tersebut beserta parameter proses lainnya seperti suhu treatment. Dalam tulisan ini akan dibahas pengaruh variasi binder poliester dan silicone rubber pada pembuatan magnet bonded Pr-Fe-B terhadap sifat fisis dan magnet yang meliputi densitas, kuat tekan, kekerasan Brinell, dan densitas fluks magnetik.
METODOLOGI Bahan magnet yang digunakan berasal dari Magnequench Inc. tipe MQP 16-7A hasil proses pemadatan cepat (rapid solidification) dengan fasa magnetik Pr 2 Fe 14 B. Karakteristik awal bahan magnetik Pr-Fe-B antara lain densitas, remanensi magnetik, koersivitas, dan energi produk maksimum masing-masing sebesar 7,61 g/cm 3, 9,4 kg, 6,6 koe, dan 14,3 MGOe. Sebagai matriks, polimer poliester dan silicone rubber digunakan dengan variasi komposisi 2, 4, 6, dan 8 %wt. Proses kompaksi dilakukan dengan metode compression moulding. Moulding dies yang digunakan berukuran ϕ2 cm dengan massa total sampel masing-masing sebesar 8 gram. Kompaksi dilakukan dengan tekanan sebesar 5,4 tonf/cm 2 dan penahanan selama 60 detik. Proses curing pada binder poliester dan silicone rubber dibedakan masing-masing dilakukan pada temperatur 150 o C (t = 120 menit) dan suhu kamar (~29 o C, t = 24 jam). Masing-masing variasi sampel magnet dibuat sebanyak 3 buah untuk mendapatkan tingkat pengulangan terhadap hasil pengujian yang baik. Karakterisasi yang dilakukan antara lain pengukuran densitas sampel, uji mekanik seperti kuat tekan dan kekerasan Brinell, dan analisis densitas fluks magnetik (Gaussmeter). Pengukuran densitas sampel dilakukan menggunakan metode Archimedes dengan menggunakan data selisih massa sampel dalam air. Uji kuat tekan dan kekerasan Brinell dilakukan menggunakan alat Universal Testing Machine (UTM). Pengujian kekerasan Brinell dilakukan menggunakan bola baja dengan diameter 9,26 mm. Analisis mikrostruktur juga dilakukan dengan menggunakan pencitraan SEM untuk mengetahui struktur mikro dari sampel magnet bonded Pr-Fe-B dengan binder poliester dan silicone rubber. HASIL DAN PEMBAHASAN Karakterisasi sampel pertama adalah melakukan pengukuran densitas sampel melalui metode Archimedes, dengan membandingkan massa sampel dengan pengurangan massa dalam medium (air). Berdasarkan hasil pengukuran maka ditampilkan plot nilai densitas sampel terhadap variasi komposisi binder poliester dan silicone rubber seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Secara umum penggunaan binder polimer pada pembuatan magnet bonded terhadap nilai densitas sampel memiliki kecenderungan untuk semakin menurun sebanding dengan peningkatan komposisi polimer yang dipakai. Densitas awal polimer poliester dan silicone rubber yang digunakan berturutturut sebesar 1,1 g/cm 3 dan 0,8 g/cm 3. Dalam grafik terlihat bahwa kecenderungan penggunaan polimer silicone rubber menghasilkan densitas yang lebih tinggi dibandingkan magnet bonded yang menggunakan binder poliester. Densitas tertinggi dihasilkan dari sampel magnet bonded Pr-Fe-B yang menggunakan binder silicone rubber sebanyak 2%wt dengan nilai sebesar 5,93 g/cm 3.
Penurunan nilai densitas pada sampel magnet yang menggunakan binder silicone rubber (cair) cenderung bergerak semakin melambat pada komposisi polimer yang lebih tinggi. Hal ini berbeda dibandingkan pada penggunaan binder poliester, yaitu penurunan densitas sampel yang cenderung cepat yang berkaitan dengan fasa awal polimer yang berbentuk padat. Dengan demikian tingkat homogenitas pencampuran antara bahan magnetik dan polimer harus mendapat perhatian penting untuk menjaga keseragaman sampel magnet bonded Pr-Fe-B tersebut. Penurunan nilai densitas sampel diperkirakan memiliki pengaruh terhadap penurunan sifat magnetik seperti yang akan dibahas selanjutnya. Gambar 1. Densitas sampel magnet bonded Pr-Fe-B terhadap variasi komposisi binder Poliester dan Silicone Rubber. Untuk menganalisis pengaruh variasi binder polimer poliester dan silicone rubber terhadap sifat mekanik, kemudian dilakukan pengujian mekanik berupa uji kuat tekan dan kekerasan Brinell. Pengujian tersebut dilakukan menggunakan universal testing macine (UTM) yang hasilnya diplot dalam grafik antara beban dan elongasi. Hasil pengujian kuat tekan dan kekerasan Brinell untuk magnet Pr-Fe-B dengan variasi binder poliester dan silicone rubber ditunjukkan pada Gambar 2. Berdasarkan Gambar 2a, terlihat bahwa nilai kuat tekan magnet bonded dengan binder poliester berbanding lurus terhadap komposisi binder yang digunakan. Sedangkan pada penggunaan binder silicone rubber menunjukkan sebaliknya, nilai kuat tekan yang dihasilkan sedikit mengalami penurunan dengan bertambahnya komposisi binder silicone rubber. Dengan membandingkan sampel, diketahui bahwa kuat tekan sampel tertinggi dihasilkan pada penggunaan binder poliester sebanyak 8 %wt dengan nilai kuat tekan sebesar 216 MPa. Pengujian kekerasan Brinell dilakukan untuk mengidentifikasi pengaruh penggunaan binder terhadap tingkat kekerasan sampel yang dihasilkan. Dari Gambar 2b, terlihat bahwa nilai kekerasan Brinell terhadap tiap sampel mengalami
penurunan sebanding dengan penambahan binder yang digunakan. Nilai kekerasan Brinell terbesar dihasilkan dari sampel magnet bonded dengan komposisi poliester 2%wt dengan nilai sebesar 5 BHN. Pengujian mekanik ini menunjukkan bahwa secara umum penggunaan polimer poliester menghasilkan rata-rata sifat mekanik yang lebih baik dibandingkan penggunaan binder silicone rubber. Namun demikian, berdasarkan grafik pengujian yang dihasilkan juga tampak bahwa penggunaan binder silicone rubber dalam jumlah sedikit pada pembuatan magnet bonded Pr-Fe-B menghasilkan perubahan yang tidak signifikan terhadap komposisi binder yang digunakan secara terbatas relatif terhadap binder poliester. a. b. Gambar 2. Uji kuat tekan (a) dan kekerasan Brinell (b) sampel magnet bonded Pr-Fe-B terhadap variasi komposisi binder poliester dan silicone rubber. Untuk mengetahui pengaruh variasi binder terhadap sifat magnetik maka dilakukan proses magnetisasi sampel dengan magnetizer, kemudian diukur nilai densitas fluks magnetiknya menggunakan Gaussmeter. Hasil pengukuran Gaussmeter menghasilkan nilai rata-rata densitas fluks magnetik seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Dari data grafik tersebut terlihat bahwa kedua jenis binder menghasilkan rata-rata densitas fluks magnetik yang semakin menurun sebanding dengan peningkatan komposisi binder. Hal ini sesuai dengan perkiraan sebelumnya, sekaligus menunjukkan bahwa terjadi korelasi berbanding lurus antara nilai densitas sampel dengan densitas fluks magnetik. Data tersebut memperlihatkan densitas fluks magnetik terbesar dimiliki oleh sampel dengan densitas sampel tertinggi pada komposisi binder silicone rubber 2%wt dengan rata-rata densitas fluks magnetik sebesar 1072 Gauss. Ditunjukkan juga bahwa secara keseluruhan nilai densitas fluks magnetik maksimum sampel bonded Pr-Fe-B tersebut menghasilkan nilai yang lebih tinggi pada penggunaan binder silicone rubber relatif dibandingkan binder poliester. Diduga
efek perlakuan panas (Curing) dan distribusi serbuk magnetik dalam matriks polimer memengaruhi sifat magnet yang dihasilkan pada magnet bonded Pr-Fe-B. a b Gambar 3. Hasil pengukuran densitas fluks magnetik (Gauss) magnet bonded Pr-Fe-B terhadap variasi komposisi binder poliester dan silicone rubber, a) nilai rata-rata, b) nilai maksimum. Untuk menganalisis mikrostruktur magnet bonded Pr-Fe-B dengan binder poliester dan silicone rubber maka dilakukan pengambilan gambar SEM untuk sampel magnet bonded Pr-Fe-B masing-masing pada komposisi binder 2%wt seperti ditunjukkan pada Gambar 4. Berdasarkan Gambar 4 tersebut tampak bahwa kedua sampel masih menghasilkan beberapa pori yang ditandai dengan warna gelap. Distribusi serbuk dalam matriks polimer terlihat bahwa sampel magnet bonded dengan binder silicone rubber menghasilkan distribusi serbuk yang cenderung rapat ditandai dengan adanya aglomerasi antara serbuk magnet dibandingkan dengan sampel magnet dengan binder poliester. Namun demikian, penggunaan binder poliester terlihat bahwa memiliki distribusi serbuk yang lebih merata. Hal ini menjadi indikasi atas pengukuran densitas sampel, kuat tekan, kekerasan dan nilai rata-rata densitas fluks magnetik. Sampel magnet dengan distribusi merata menghasilkan nilai densitas fluks magnet yang relatif lebih stabil dan merata disetiap sisi kutubnya ditandai dengan penurunan kurva densitas fluks rata-rata yang lebih landai. Sedangkan adanya aglomerasi antara serbuk magnet menghasilkan distribusi serbuk yang tidak merata dan berpori, yang berakibat pada rendahnya nilai densitas fluks magnetik rata-rata, namun berpengaruh pada pencapaian nilai densitas fluks magnetik maksimum yang tinggi. Hal ini ditandai dengan fluktuasi densitas fluks magnet di setiap sisi kutub magnetik yang tidak seragam.
a b Gambar 4. Gambar SEM sampel magnet bonded Pr-Fe-B dengan komposisi 2%wt binder poliester dan silicone rubber. KESIMPULAN Berdasarkan karakterisasi yang dilakukan dihasilkan bahwa penggunaan temperatur tinggi pada proses curing mengakibatkan menurunnya sifat intrinsik magnetik secara umum. Dari uji mekanik disimpulkan bahwa dibandingkan pada binder poliester, penggunaan binder silicone rubber menghasilkan sifat mekanik yang semakin menurun pada pengujian kuat tekan dan kekerasan Brinell yang berkaitan dengan sifat elastisitas dari kedua bahan polimer sebagai matriks. Namun demikian, sifat magnet pada bonded Pr-Fe-B menggunakan binder silicone rubber mampu menghasilkan densitas fluks magnetik maksimum yang tinggi dibandingkan pada penggunaan binder poliester. Selain itu, distribusi serbuk pada penggunaan kedua polimer sebagai matriks tersebut perlu diperhatikan, yang berkaitan dengan nilai densitas fluks rata-rata yang baik seperti yang dihasilkan pada penggunaan binder poliester. UCAPAN TERIMA KASIH Penelitian ini merupakan bagian dari penelitian DIPA Tematik Pusat Penelitian Fisika LIPI tahun 2013 dan bagian dari intensif riset Kementerian Riset dan Teknologi Indonesia program SINas tahun 2013. DAFTAR PUSTAKA 1. Sagawa M, Fujimura S, Togawa N, Yamamoto H, and Matsuura Y. New Material for Permanent Magnets on a Base of Nd and Fe. Journal of Applied Physics, Vol. 55, No. 6 (March 1984) : pp. 2083-2087.
2. Croat JJ, Herbst JF, Lee R, and Pinkerton FE. Pr-Fe and Nd-Fe-based Materials: A New Class of High Performance Permanent Magnets. Journal of Applied Physics, Vol. 55, No. 6 (March 1984): pp. 2078-2081 3. B.M. Ma, J.W. Herchenroeder, B. Smith, M. Suda, D.N. Brown, Z. Chen. Recent development in bonded NdFeB magnets. Journal of Magnetism and Magnetik Materials Vol. 239 (2002) : pp. 418 423. 4. X.H. Zhang, W.H. Xiong, Y.F. Li, N. Song. Effect of process on the magnetik and mechanical properties of Nd Fe B bonded magnets. Materials and Design, Vol. 30 (2009): pp. 1386 1390. 5. J. Li, Y. Liu, S.J. Gao, M. Li, Y.Q. Wang, M.J. Tu. Effect of process on the magnetik properties of bonded NdFeB magnet. Journal of Magnetism and Magnetik Materials Vol. 299 (2006): pp. 195 204. 6. Zhang Xiaolei, Zhu Mingyuan, Li Ying, Jin Hongming, Tian Ye, Wang Zhun, Yang Qiuping. Effect of the Binder and Some Additives on Properties of the Anisotropic Injection Bonded Nd-Fe-B Magnets. Rare Metal Materials and Engineering, Vol 37, No. 11 (2008): pp. 1978-1981.