OPTIMASI PROSES PEMBUATAN HARD-MAGNETIC MATERIAL BERBASIS BaFe 12 O 19 DENGAN ADITIF FeMn SKRIPSI MARTA MASNIARY NAINGGOLAN 120801034 DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2016
OPTIMASI PROSES PEMBUATAN HARD-MAGNETIC MATERIAL BERBASIS BaFe 12 O 19 DENGAN ADITIF FeMn SKRIPSI Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai gelar Sarjana Sains MARTA MASNIARY NAINGGOLAN 120801034 DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2016
PERSETUJUAN Judul : Optimasi Proses Pembuatan Hard-Magnetic Material Berbasis BaFe 12 O 19 dengan Aditif FeMn Kategori : Skripsi Nama : Marta Masniary Nainggolan Nomor Induk Mahasiswa : 120801034 Program studi : Sarjana (S1) Fisika Departemen : Fisika Fakultas : Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Disetujui di Medan, Juli 2016 Disetujui Oleh: Pembimbing 1, Pembimbing 2, (Dr. Kerista Sebayang, MS) (Prof. Drs. Perdamean Sebayang, M.Si) NIP. 195806231986011001 NIP. 195501051983031003 Departemen Fisika FMIPA USU Ketua, (Dr. Marhaposan Situmorang) NIP. 195510301980031003
PERNYATAAN OPTIMASI PROSES PEMBUATAN HARD-MAGNETIC MATERIAL BERBASIS BaFe 12 O 19 DENGAN ADITIF FeMn SKRIPSI Saya mengakui bahwa skripsi ini adalah hasil karya sendiri. Kecuali beberapa kutipan dan ringkasan yang masing-masing disebutkan sumbernya. Medan, Juli 2016 MARTA MASNIARY NAINGGOLAN 120801034
PENGHARGAAN Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yesus Kristus, karena berkat dan pertolongan-nya, penulis dapat menyelesaikan penyusunan skripsi ini. Skripsi dengan judul: Optimasi Proses Pembuatan Hard-Magnetic Material Berbasis BaFe 12 O 19 dengan Penambahan Aditif FeMn disusun sebagai syarat akademis dalam menyelesaikan studi program sarjana (S1) Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,, Medan. Penulis menyadari bahwa selama proses penulisan hingga terselesaikannya penyusunan skripsi ini banyak mendapat bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak. Dalam kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada: 1. Kedua orang tua penulis tercinta Ayahanda Jonter Nainggolan dan Ibunda Lamria Simanungkalit yang dengan penuh kasih sayang telah memberikan nasehat, motivasi, doa dan dorongan materi maupun moril kepada penulis. Juga kepada kakanda tersayang Martini S Nainggolan, S.Si, Wenlya E Nainggolan, SE,Ak. CA, Resti J Nainggolan, STP, adinda Ayu R Nainggolan dan Raja Doli S Nainggolan yang terus menyemangati dan mendoakan penulis hingga terselesainya penulisan skripsi ini. 2. Bapak Dr. Kerista Sebayang, M.S selaku Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,, Medan. 3. Bapak Dr. Marhaposan Situmorang selaku ketua Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas sumatera Utara, Medan. 4. Bapak Dr. Kerista Sebayang, M.S dan Bapak Prof. Drs. Perdamean Sebayang, M.Si selaku dosen pembimbing, kepada Pak Candra, Ibu Ayu, Pak Arief Eko, Pak Toto Sudiro, Pak Amat, Bang Anggi, Bang Mardi, serta kepada seluruh staf dan pegawai PPF LIPI yang telah membantu penulis dalam penggunaan alat laboratorium dan memberikan kenangan yang tak terlupakan selama penelitian di PPF LIPI. 5. Bapak Prof. Masno Ginting, M.Sc dan Ibu serta keluarga, yang telah memberikan waktu berbagi cerita, semangat, dan bimbingan kepada penulis.
6. Bapak Drs. Herli Ginting, MS, Bapak Dr. Kurnia Sembiring, MS, dan Ibu Dr. Diana Alemin Barus, M.Sc selaku dosen penguji yang telah membimbing dan memberikan saran dan masukan dalam penulisan skrispsi ini. 7. Bapak Drs. Kurnia Brahmana, M.S selaku dosen penasehat akademik penulis selama perkuliahan. 8. Sahabat Physics On Fire (Tania, Santa, Bunda, Sulis, Melpa, Sabeth, Dewi, Cyndi, Riris, Fitry, Mia, Yani, Eni, Carmel, Mutia, Rina, Sri, Kris, Beta, Fransisco, Ivan, Roi, Eko, Zefanya, Ivo, Fauzi, Ari, Jekson, Roby, Franki, Halim, Rudi, Andrianus, Komting, Ali, Frisanto, Mareanus, Karyaman, Josapat, Kubib, Topoy, Adin, Benget, Sabran, Diego, Dodi, Amar, Eltris, Wils, Erza, Toby, Taufik, Firman, Rahmat, Kartika, Lyana, Hafsah) yang telah memberi banyak cerita, kesan dan kenangan selama perkuliahan, juga kepada teman-teman seperjuangan kos L48 (Santa, Bunda, Sulis, Riris, Mia, dan Fitry) yang telah berbagi suka dan duka selama penelitian di Serpong. 9. Keluarga Besar UKM Fotografi USU, terkhusus Angkatan 7 (Fazrin, Vibek, Nurul, Putri, Yazid, Nofiqbal, Bang Ihsan, Bang Norman, Ilmi dll) yang telah memberi semangat dan doa untuk penulis menyiapkan skripsi ini. 10. Teman-teman KKN Kelompok 3 Desa Lingga Julu (Ivo, Tante Ines, Mak Kris, Opung Beta, Kak Putri, Jeni, Indah, Eta, Endang, Zefa, Suya, Heppy, Dek Dew, dan Jekson) yang senantiasa mendoakan penulis. 11. Bersembilan (Osi, Niken, Oki, Randy, Gatra, Aza, Sitti, dan Isan) teman dari SMA yang masih menjalin komunikasi dengan baik dan mendoakan penulis. 12. Ding (Fransisco Purba), tempat berbagi suka dan duka, yang selalu mendoakan penulis dan memberi semangat layaknya sahabat, saudara dan juga kekasih. 13. Abang, kakak dan adik-adik Fisika USU serta kepada mereka yang tidak tersebutkan namanya yang telah mendukung penulis. Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam penyusunan skripsi ini. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun. Kiranya skripsi ini bermanfaat bagi pembaca dan juga dapat menambah khasanah dunia penelitian terutama bagi pengembangan ilmu pengetahuan di Indonesia.
OPTIMASI PROSES PEMBUATAN HARD-MAGNETIC MATERIAL BERBASIS BaFe 12 O 19 DENGAN ADITIF FeMn ABSTRAK Telah dilakukan pembuatan magnet dari magnet permanen Barium Heksaferit (BaFe 12 O 19 ) dengan penambahan aditif Ferromangan (FeMn) variasi komposisi 3 dan 7 (%wt) menggunakan metode mechanical alloying. Serbuk BaFe 12 O 19 dan FeMn dimixing menggunakan HEM selama 15 menit (dry milling). Sampel dicetak dengan tekanan 40kgf/cm 2 menggunakan magnetic field press dalam medan magnet sebesar 3,6 kg. Sampel disinter menggunakan High Temperature Furnace pada suhu 1100, 1150, 1200 dan 1250 o C selama 2 jam. Sampel dikarakterisasi sifat fisis (bulk density, porositas), analisis mikrostruktur sampel menggunakan XRD, dan sifat magnet menggunakan VSM. Didapatkan bahwa pada penambahan aditif 3% wt. FeMn dengan suhu sintering 1200 o C (2 jam) memiliki sifat fisis dan magnetik tertinggi dimana nilai bulk density sebesar 4,81 g/cm 3, porositas sebesar 20%, nilai saturasi 63,49 emu/g, remanensi 31,45 emu/g, koersivitas 3 koe, dan BHmax 630 kgoe. Kata Kunci: BaFe 12 O 19, FeMn, mechanical alloying, sintering
Process Optimation of Manufacture Hard-Magnetic Material BaFe 12 O 19 Based with FeMn Aditif ABSTRACT Has been done manufacturing of the magnet permanent Barium Hexaferrite (BaFe 12 O 19 ) with the addition of additives Ferromanganese (FeMn) variations in composition 3 and 7 (wt%) using the mechanical alloying method. Powder of BaFe 12 O 19 and FeMn mixed using HEM for 15 minutes (dry milling). Samples were pressed with pressure 40kgf/cm 2 using a magnetic field press in 3.6 kg magnetic field. Samples were sintered using the High Temperature Furnace at 1100, 1150, 1200 and 1250 o C for 2 hours. Samples were characterized on physical properties (bulk density, porosity), the microstructure analysis using XRD and magnetic properties using the VSM. It was found that the additive 3 wt. % FeMn with 1200 o C as the sintering temperature (2 hours) has the highest magnetic and physical properties where the bulk density at 4.81 g/cm 3, porosity at 20%, the saturation at 63.49 emu/g, remanence at 31.45 emu/g, coercivity at 3 koe, and BHmax = 630 kgoe. Keywords: BaFe 12 O 19, FeMn, mechanical alloying, sintering
DAFTAR ISI Persetujuan Pernyataan Penghargaan Abstrak Abstract Daftar Isi Daftar Tabel Daftar Gambar Daftar Lampiran Halaman i ii iii v vi vii x xi xiv BAB 1. BAB 2. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang 1 1.2 Tujuan Penelitian 3 1.3 Perumusan Masalah 3 1.4 Batasan Masalah 3 1.5 Manfaat Penelitian 4 1.6 Sistematika Penulisan 4 TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pengertian Magnet 6 2.2 Sifat-sifat Magnet 6 2.2.1 Koersivitas 6 2.2.2 Remanen 7 2.2.3 Saturasi Magnetisasi 7 2.2.4 Medan Anisotropi 7 2.2.5 Temperatur Curie (T c ) 8 2.3 Bahan Magnetik 8 2.3.1 Bahan Diamagnetik 8 2.3.2 Bahan Paramagnetik 9 2.3.3 Bahan Ferromagnetik 10 2.4 Jenis-jenis Material Magnet 11 2.4.1 Material Magnetik Keras 11 2.4.2 Meterial Magnetik Lunak 11 2.5 Kurva Histeresis 12 2.6 Energi Produk Maksimum (BH) max 13 2.7 Barium Heksaferit (BaFe 12 O 19 ) 15 2.8 FeMn (ferromangan) 16 2.9 Metalurgi Serbuk 16 2.9.1 Pencampuran (Mixing) 17 2.9.2 Pencetakan (kompaksi) 17 2.9.3 Sintering 18 2.9.3.1 Presintering 19
2.9.3.2 Difusi Permukaan 19 2.9.3.3 Eleminasi Porositas 20 2.10 Efek Sintering terhadap Sampel 20 2.11 Karakterisasi Material Magnet 21 2.11.1 Sifat Fisis 21 2.11.1.1 Densitas 21 2.11.1.2 Porositas 22 2.11.2 Mikrostruktur 23 2.11.2.1 X-Ray Diffraction (XRD) 23 2.11.2.2 Optical Microscope (OM) 24 2.11.3 Uji sifat magnet menggunakan Vibrating Sampel Magnetometer (VSM) 24 BAB 3. BAB 4. METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Tempat dan Waktu Peneitian 26 3.1.1 Tempat Penelitian 26 3.1.2 Waktu Penelitian 26 3.2 Alat dan Bahan Penelitian 26 3.2.1 Alat 26 3.2.2 Bahan 28 3.3 Diagram Alir Penelitian 28 3.4 Prosedur Penelitian 29 3.4.1 Preparasi Sampel 29 3.4.2 Milling 30 3.4.2.1 Dry Milling 30 3.4.2.2 Wet Milling 31 3.4.3 Mixing 31 3.4.4 Kompaksi 31 3.4.5 Sintering 33 3.4.6 Magnetisasi 34 3.4.7 Karakterisasi Sampel Uji 34 3.4.7.1 Uji Densitas 34 a. True density 34 b. Bulk density 35 c. Porositas 36 3.4.7.2 Optical Microscope (OM) 36 3.4.7.3 X-Ray Diffraction (XRD) 37 3.4.7.4 Vibrating Sample Magnetnometer (VSM) 37 3.4.7.5 Flux density 38 HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Sifat fisis BaFe 12 O 19 dengan aditif FeMn 39 4.1.1 Pengujian densitas serbuk (true density) 39 4.1.2 Pengujian bulk density 40 4.1.3 Pengujian porositas 41 4.2 Sruktur mikro BaFe 12 O 19 dengan aditif FeMn 42 4.2.1 Analisis distribusi partikel menggunakan Optical Microscope (OM) 42
4.2.2 Analisis diameter pori sampel BaFe 12 O 19 dengan aditif FeMn 46 4.2.3 Analisis X-Ray Diffraction (XRD) 49 4.3 Sifat Magnet BaFe 12 O 19 dengan aditif FeMn 50 4.3.1 Analisis Vibrating Sample Magnetometer (VSM) 50 4.3.2 Pengujian flux density 54 BAB 5. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan 56 5.2 Saran 56 DAFTAR PUSTAKA 57 LAMPIRAN
DAFTAR TABEL Nomor Judul Halaman Tabel 2.1 Fase Ferit Heksagonal 15 4.1 Data hasil pengujian true density bahan BaFe 12 O 19 FeMn 39 4.2 Data hasil pengukuran ukuran diameter rata-rata partikel 45 4.3 Data hasil analisis OM sampel BaFe 12 O 19 dengan aditif 3 dan 7%wt. FeMn yang disinter selama 2 jam 48 4.4 Data hasil analisis VSM serbuk dan sampel yang telah disinter pada suhu 1200 o C (2 jam) dari bahan magnet BaFe 12 O 19 dengan aditif 3 dan 7%wt. FeMn 53
DAFTAR GAMBAR Nomor Judul Halaman Gambar 2.1 Arah domain-domain dalam bahan paramagnetik sebelum diberi medan magnet luar 9 2.2 Arah domain dalam bahan paramagnetik setelah diberi medan magnet luar 9 2.3 Kurva Magnetisasi 11 2.4 Kurva Histeresis 13 2.5 Kurva (BH) Vs µ 0 H 14 2.6 Struktur kristal BaFe 12 O 19 dimana ion Ba diwakili dalam warnahijau, ion Fe warna biru, dan O warna merah 15 2.7 Pengaruh suhu sintering pada (1) Porositas, (2) Densitas, (3) Tahanan listrik, (4) Kekuatan, dan (5) Ukuran butir 20 3.1 Diagram Alir Penelitian 29 3.2 Alat Planetary Ball Milling (PBM) 30 3.3 HEM (High Energy Milling) 31 3.4 Magnetic Field Press 32 3.5 Skedul sintering pada suhu 1100 o C (2 jam) 33 3.6 Magnetizer K-Series 34 3.7 Piknometer 35 3.8 Rangkaian peralatan Archimedes 35 3.9 Vibrating Sample Magnetometer 37 3.10 Gaussmeter 38 4.1 Hubungan pengujian bulk density terhadap suhu sintering dari bahan magnet BaFe 12 O 19 dengan aditif 3 dan 7 % wt. FeMn 40 4.2 Hubungan porositas terhadap suhu sintering dari bahan magnet BaFe 12 O 19 dengan aditif 3 dan 7 % wt. FeMn 41 4.3 (a). Foto serbuk BaFe 12 O 19 menggunakan OM dengan perbesaran 400x 42 (b). Gambar pengambilan area untuk mengukur diameter partikel menggunakan software ImageJ 42 4.4 Histogram distribusi partikel serbuk BaFe 12 O 19 43 4.5 (a). Foto sebuk FeMn menggunakan OM dengan perbesaran 400x 43 (b). Gambar pengambilan area untuk mengukur diameter partikel menggunakan software ImageJ 43 4.6 Histogram distribusi partikel serbuk FeMn 43 4.7 (a). Foto serbuk BaFe 12 O 19 dengan aditif 3%wt. FeMn menggunakan OM perbesaran 400x 44 (b). Gambar pengambilan area untuk mengukur diameter partikel menggunakan software ImageJ 44 4.8 Histogram distribusi partikel serbuk BaFe 12 O 19 dengan
aditif 3%wt. FeMn 44 4.9 (a). Foto serbuk BaFe 12 O 19 dengan aditif 7%wt. FeMn menggunakan OM perbesaran 400x 44 (b). Gambar pengambilan area untuk mengukur diameter partikel menggunakan software ImageJ 44 4.10 Histogram distribusi partikel serbuk BaFe 12 O 19 dengan aditif 7%wt. FeMn 45 4.11 Foto sampel BaFe 12 O 19 dengan aditif 3%wt FeMn. yang disinter pada suhu 1100 o C (a). perbesaran 400x 46 (b). perbesaran 40x 46 (c). Hasil gambar outline menggunakan software ImageJ 46 4.12 Foto sampel BaFe 12 O 19 dengan aditif 7%wt FeMn. yang disinter pada suhu 1100 o C (a). perbesaran 400x 46 (b). perbesaran 40x 46 (c). Hasil gambar outline menggunakan software ImageJ 46 4.13 Foto sampel BaFe 12 O 19 dengan aditif 3%wt FeMn. yang disinter pada suhu 1150 o C (a). perbesaran 400x 46 (b). perbesaran 40x 46 (c). Hasil gambar outline menggunakan software ImageJ 46 4.14 Foto sampel BaFe 12 O 19 dengan aditif 7%wt FeMn. yang disinter pada suhu 1150 o C (a). perbesaran 400x 47 (b). perbesaran 40x 47 (c). Hasil gambar outline menggunakan software ImageJ 47 4.15 Foto sampel BaFe 12 O 19 dengan aditif 3%wt FeMn. yang disinter pada suhu 1200 o C (a). perbesaran 400x 47 (b). perbesaran 40x 47 (c). Hasil gambar outline menggunakan software ImageJ 47 4.16 Foto sampel BaFe 12 O 19 dengan aditif 7%wt FeMn. yang disinter pada suhu 1200 o C (a). perbesaran 400x 47 (b). perbesaran 40x 47 (c). Hasil gambar outline menggunakan software ImageJ 47 4.17 Foto sampel BaFe 12 O 19 dengan aditif 3%wt FeMn. yang disinter pada suhu 1250 o C (a). perbesaran 400x 47 (b). perbesaran 40x 47 (c). Hasil gambar outline menggunakan software ImageJ 47 4.18 Foto sampel BaFe 12 O 19 dengan aditif 7%wt FeMn. yang disinter pada suhu 1250 o C (a). perbesaran 400x 48 (b). perbesaran 40x 48 (c). Hasil gambar outline menggunakan software ImageJ 48 4.19 Pola XRD dari (a). sampel BaFe 12 O 19 dengan penambahan aditif 7%wt. FeMn yang disintering pada suhu 1200 o C (2 jam) 49 (b). sampel BaFe 12 O 19 dengan penambahan aditif 3% wt. FeMn yang disintering pada suhu 1200 o C (2 jam) 49 (c). serbuk BaFe 12 O 19 49 (d). serbuk FeMn 49 4.20 Kurva Histeresis serbuk BaFe 12 O 19 50 4.21 Kurva Histeresis serbuk BaFe 12 O 19 dengan penambahan
3% wt.femn 51 4.22 Kurva Histeresis serbuk BaFe 12 O 19 dengan penambahan 7% wt.femn 51 4.23 Kurva Histeresis sampel pelet BaFe 12 O 19 dengan penambahan 3% wt.femn yang disinter pada suhu 1200 o C 52 4.24 Kurva Histeresis sampel pelet BaFe 12 O 19 dengan penambahan 7% wt FeMn 52 4.25 Kurva demagnetisasi pada kuadran kedua dari sampel BaFe 12 O 19 dengan penambahan 7%wt FeMn yang disinter pada suhu 1200 o C (2 jam) 53 4.26 Hubungan flux density terhadap suhu sintering dari bahan magnet BaFe 12 O 19 dengan aditif 3 dan 7 % wt. FeMn 55
DAFTAR LAMPIRAN Nomor Lampiran Judul 1 Foto Peralatan dan Bahan Penelitian 2 Data-Data Hasil Pengukuran Densitas 3 Data Pengukuran Diameter Partikel Serbuk Menggunakan Software ImageJ 4 Data Pengukuran Diameter Pori Sampel Pelet Menggunakan Software ImageJ 5 Hasil Pengujian VSM 6 Hasil Pengujian XRD 7 Data Hasil Pengukuran Nilai BHmax 8 Kurva Demagnetisasi (Kuadran Kedua) Sampel