J. Sains MIPA, Desember 2009, Vol. 15, No. 3, Hal.: 186-190 ISSN 1978-1873 PREPARASI ALLOY MAGNETIK Sm-Co MELALUI TEKNIK ARC MELTING FURNACE Erfan Handoko* dan Azwar Manaf Program Pascasarjana FMIPA Program Studi Ilmu Material, Universitas Indonesia, kampus UI Salemba Jakarta 10430, Indonesia *E-mail: erfisika@yahoo.com Diterima 17 November 2009, disetujui untuk diterbitkan 2 Desember 2009 ABSTRACT The preparation of alloy of Sm-Co magnetic has successfully been prepared by arc melting furnace as based of permanent magnet material. The production used was a host casting process in the form of cylinder with diameter of 5 mm and plat with dimension of 5 x 2 mm. The result after the casting process showed the Sm-Co alloy was silvery and s table against oxidation. The phase study of the alloy and microstructure formed was studied by XRD and SEM. The result of qualitative analysis of XRD study for the two ingot showed that Sm-Co alloy has two phase, which were Sm 2Co 17 and fasa SmCo 5. The SEM micrograph has been done to the casting of Sm-Co alloy with some cross sections. The micrograph photo showed clearly the form and the size of the crystal formed. The preparation of ingot Sm-Co alloy magentic by arc melting process can be a choice in the production of ingot magnetic alloy which susceptible to oxidation and become a first step in the synthesis of sinter permanent Sm-Co magnet. Keywords: Sm-Co, arc melting furnace, Fasa Sm 2Co 17 dan SmCo 5, magnet sinter permanent 1. PENDAHULUAN Penelitian paduan (alloy) magnetik berbasis logam tanah jarang (Rare earth) sistem RE-TM-B 1-5) terus dilakukan dan tidak terkecuali sistem Sm-Co 6-10). Metode proses preparasi baik itu teknik konvensional seperti Powder Metallurgy 11) maupun teknik modern seperti Rapid Solidification 12) dalam pembuatan magnet permanen diperlukan proses preparasi ingot paduan dengan komposisi nominal yang direncanakan. Berbagai cara dilakukan seperti dengan menggunakan tungku pemanas (furnace) dengan temperatur tinggi dan tak kecuali dengan menggunakan tungku peleburan induksi (induction melting furnace). Optimalisasi pembentukan fasa magnetik pada ingot paduan yang dihasilkan sangat berhubungan dengan proses solidifikasi setelah melalui tahapan peleburan. Dalam penelitian ini diperkenalkan teknik preparasi ingot paduan material magnetik Sm-Co sebagai tahap awal dalam rekayasa material. 2. METODE PENELITIAN Paduan material magnetik dengan komposisi Sm 10.5Co 89.5 (at %) disiapkan masing-masing sebanyak maksimum 3-4 gram dengan menggunakan elemen-elemen pembentuk yang memiliki tingkat kemurnian sampai 99 % berat berdasarkan hasil pengukuran dengan menggunakan XRF. Proses peleburan paduan dilakukan dengan arc melting furnace dalam suasana gas argon yang sebelumnya telah melalui pembersihan ruangan (chamber) dengan gas argon sebanyak tiga kali (flasing process). Pendinginan dilakukan dengan cara pencetakan berbentuk silinder dengan diameter 5 mm dan plat dengan tebal 2 mm. Pengukuran x-ray diffraction (XRD) merk Phillips dengan interval sudut (2θ) 20 o -105 o dilakukan untuk mengetahui fasa-fasa yang terbentuk secara kualitatif dengan bantuan data base International Center for Diffraction Data (ICDD). Studi struktur dipelajari dengan menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM) dari beberapa penempang untuk mengetahui ukuran butir dan melihat optimalisasi fasa magnet yang terbentuk. 3. HASIL PEMBAHASAN 3.1. Preparasi Ingot Paduan Sm-Co Hasil paduan (alloy) dengan komposisi Sm 10.5Co 89.5 (% atom) setelah melalui peleburan dengan arc melting furnace dalam suasana gas argon yang sebelumnya telah melalui pembersihan ruangan (chamber) 186
J. Sains MIPA, Desember 2009, Vol. 15, No. 3 dengan gas argon sebanyak tiga kali (flashing process) berupa bentuk silinder dengan diameter 5 mm dan plat dengan tebal 2 mm. Gambar 1. Hasil pencetakan (casting) ingot Sm-Co dalam bentuk plat tebal 2 mm dan silinder diameter 5 mm. Proses pencetakan diharapkan terjadi mekanisme pendinginan cepat sehingga fasa yang terbentuk dapat dipertahankan sebagaimana yang ditunjukkan pada Gambar 1. 3.2. Pengukuran difraksi sinar-x Pengukuran difraksi sinar-x menghasilkan grafik untuk ingot Sm 10.5Co 89.5 (% atom) hasil casting bentuk silinder berdiameter 5 mm dan plat dilakukan pendinginan cepat sehingga fasa magnetik Sm 2Co 17 bisa dipertahankan. Hasil analisis kualitatif data difraksi sinar-x (Gambar 2) pada ingot paduan Sm-Co menunjukkan telah terbentuk dua fasa magnetik Sm 2Co 17 dan SmCo 5 berdasarkan pencocokan dengan data base ICDD dan tidak ditemukan fasa Co. Dua fasa magnetik yang terbentuk merupakan konsekuensi dari diagram fasa sistem Sm dan Co dimana kedua fasa ini berdekatan pada perubahan temperatur dan komposisi. Hal ini memastikan bahwa telah terjadi proses pembentukan fasa magnet tersebut yang diharapkan pada saat pendinginan cepat. intensitas SmCo5 (101) Sm 2Co17 (104) Sm 2Co17 (214) SmCo5 (111) Sm 2Co17 (116) Sm 2Co17 (223) Sm 2Co17 (404) Sm 2Co17 (413) Sm 2Co17 (333) Sm 2Co17 (422) Sm 2Co17 (600) SmCo 5 (113) Sm 2Co17 (220) Sm 2Co17 (015) Sm 2Co17 (300) 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2 θ (deg) 187
E. Handoko dan A. Manaf Preparasi Alloy Magnetik Sm-Co intensitas SmCo 5 (101) Sm 2Co17 (202) Sm 2Co17 (211) Sm 2Co17 (103) Sm 2Co17 (300) Sm 2Co17 (203) SmCo 5 (002) Sm 2Co17 [213] Sm 2Co17 (222) Sm 2Co17 (114) Sm 2Co17 (401) Sm 2Co17 (410) Sm 2Co17 (304) SmCo 5 (202) Sm 2Co17 (412) Sm 2Co17 (323) Sm 2Co17 (332) Sm 2Co17 (116) Sm 2Co17 (600) Sm 2Co17 (306) SmCo 5 (311) SmCo 5 (111) Sm 2Co17 (220) Sm 2Co17 (004) 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Gambar 2. Pola difraksi sinar-x hasil pencetakan (casting) ingot Sm-Co dalam bentuk silinder diameter 5 mm dan plat tebal 2 mm. 2 θ (deg) 3.3. Struktur Mikro (Microstructure) Pengamatan struktur mikro dengan SEM untuk ingot paduan Sm-Co hasil casting bentuk silinder berdiameter 5 mm memperlihatkan pengaruh dari pendinginan cepat terhadap membentukan fasa magnetik Sm 2Co 17 dan SmCo 5. Foto struktur mikro dari dua pengamatan yang berbeda yaitu pada penampang memanjang dan ketebalan diameter menghasilkan bentuk dan ukuran butir yang berbeda sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 3. Penampang Memanjang Penampang Ketebalan Gambar 3. Foto SEM hasil pencetakan (casting) ingot Sm-Co dalam bentuk silinder diameter 5 mm Terlihat bahwa terjadi berbedaan bentuk butiran pada penampang arah memanjang dan ketebalan diameter dimana butiran dari fasa magnetik cendrung benbentuk panjang dengan ukuran di bawah 10 mm. Hal ini dikarenakan mekanisme pertumbuhan butir terjadi pada arah vertikal dari bentuk ingot paduan magnetik. Hal yang sama juga dilakukan pengamatan struktur mikro dengan SEM untuk ingot paduan Sm-Co hasil casting bentuk plat dengan tebal 2 mm memperlihatkan pengaruh dari pendinginan cepat terhadap membentukan fasa magnetik Sm 2Co 17 dan SmCo 5 lebih optimal. Foto struktur mikro dari dua pengamatan yang berbeda yaitu pada penampang memanjang dan ketebalan plat menghasilkan bentuk dan ukuran butir yang berbeda sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 4. 188
J. Sains MIPA, Desember 2009, Vol. 15, No. 3 Penampang Memanjang Penampang Ketebalan Gambar 4. Foto SEM hasil pencetakan (casting) ingot Sm-Co dalam bentuk plat tebal 2 mm. Tidak tampak perbedaan signifikat dari kedua penampang di atas. Ini menjelaskan bahwa mekanisme proses solidifikasi terjadi sangat cepat dan homogen dari berbagai sisi sehingga menghasilkan ukuran butir yang lebih halus apabila dibandingkan dengan ingot berbentuk silinder. 4 KESIMPULAN Berdasarkan hasil dan pembahasan di atas dapat disimpulkan bahwa paduan ingot terdiri dari dua fasa magnetik Sm 2Co 17 dan SmCo 5 telah terbentuk melalui pencetakan bentuk silinder dan plat dengan menggunakan arc melting furnace. Struktur mikro ingot bentuk plat memiliki ukuran butir lebih halus dibandingkan ingot bentuk silinder. UCAPAN TERIMA KASIH Ucapan terima kasih kami sampaikan atas DP2M Dikti Departemen Pendidikan Nasional yang mendanai Penelitian ini melalui Hibah Pasca TA 2009 DAFTAR PUSTAKA 1. Sagawa, M., Fujimura, S., Togawa, N., Yamamoto, H. and Matsuura, Y. 1984. New material for permanent magnets on a base of Nd and Fe (invited). J. Appl. Phys., 55: 2083-2087. 189
E. Handoko dan A. Manaf Preparasi Alloy Magnetik Sm-Co 2. Sagawa, M., Fujimura, S., Yamamoto, H., Matsuura, Y. and Hirosawa,S. 1985. Magnetic properties of rare-earth-iron-boron permanent magnet materials. J. Appl. Phys., 57: 4094-4096. 3. Croat, J.J., Herbst, J.F., Lee, R.W. and Pinkerton, F.E. 1984. High-energy product Nd-Fe-B permanent magnets. Appl. Phys. Lett.., 55: 148-149 4. Strnat, K.J. 1988. Ferro Magnetic Materials 4. Wohlfarth, E.P. and Buschow, K.H.J. (Eds.), North- Holland, Amsterdam, pp. 131-210 5. McCaig, M. and Clegg, A.G. 1987. Permanent Magnets in Theory and Practice, 2 nd edition, Prentech Press, London. 6. Hoffer, G. and Strnat, K.J. 1966. Magnetocrystalline anisotropy of YCo 5 and Y 2Co 17. IEEE Trans. Magn., 21: 487-489. 7. Smith, J. and Wijn, H.P.J. 1959. Ferrite, Willey, New York. 8. Ormerod, J. 1989. Metals and Materials, 4:, 478-482 9. Buschow, K.H.J. 1986. New permanent magnet materials. Mat. Sci. Reports, 1: 1-64 10. Davies, H.A. 1988. in Rapidly Quenched Metals III, Cantor,B. (Ed.) 1, the Chameleon Press Ltd, London, pp 8-14 11. Skomski, R. and Coey, J.M.D. 1993. Nucleation Field And Energy Product Of Aligned Twophase Magnets - Progress Towards The '1 MJ/M 3' Magnet. IEEE Trans. Magn., 29: 2860-2862. 12. Suryanarayana, C. 1995. Nanocrystalline materials. Int. Materials Re., 40: 41-64 190