PENGARUH TEKANAN KOMPAKSI DAN WAKTU PENAHANAN TEMPERATUR SINTERING TERHADAP SIFAT MAGNETIK DAN KEKERASAN PADA PEMBUATAN IRON SOFT MAGNETIC DARI SERBUK BESI Asyer Paulus Mahasiswa Jurusan Teknik Material dan Metalurgi Fakultas Teknologi Industri ITS Email : asyer_materialits@yahoo.co.id ABSTRAK Proses metalurgi serbuk untuk pembuatan material magnetik dapat digunakan pada peralatan elektronik. Keuntungan proses metalurgi serbuk didalam pembuatan material magnetic adalah kemampuan penyesuaian properties atau sifat magnet ke aplikasi dengan mengontrol material dan parameter proses. Dalam penelitian ini dibahas tentang pengaruh tekanan kompaksi dan waktu penahanan selama proses sintering terhadap sifat magnetik yaitu induksi remanen dan sifat mekanik. Material yang digunakan dalam penelitian ini adalah serbuk besi dengan ukuran partikel 100 mesh. Serbuk besi ini dikompaksi dengan tekanan 4, 5, dan 6 ton kemudian disinter pada temperatur 1000 0 C dengan waktu penahanan 30, 60, dan 90. Setelah itu dilakukan pengamatan struktur mikro, pengujian kekerasan dan pengujian sifat magnetik. PENDAHULUAN Metalurgi serbuk Metalurgi serbuk merupakan salah satu teknik produksi dengan menggunakan serbuk sebagai material awal sebelum proses pembentukan. Prinsip ini adalah memadatkan sebuk logam menjadi bentuk yang dinginkan dan kemudian memanaskannya di bawah temperatur leleh. Sehingga partikel-partikel logam memadu karena mekanisme transportasi massa akibat difusi atom antar permukaan partikel. Metode metalurgi serbuk memberikan kontrol yang teliti terhadap komposisi dan penggunaan campuran yang tidak dapat difabrikasi dengan proses lain. Sebagai ukuran ditentukan oleh cetakan dan penyelesaian akhir (finishing touch). Proses metalurgi serbuk adalah merupakan proses pembuatan produk dengan menggunakan bahan dasar dengan bentuk serbuk yang kemudian di sinter yaitu proses konsolidasi serbuk pada temperatur tinggi yang di dalamnya termasuk juga proses penekanan atau kompaksi. Proses metalurgi serbuk memiliki banyak keuntungan antara lain : 1. Efisiensi pemakaian bahan yang sangat tinggi dan hampir mencapai 100% 2. Tingkat terjadinya cacat seperti segregasi dan kontaminasi sangat rendah. 3. Stabilitas dimensi sangat tinggi. 4. Kemudahan dalam proses standarisasi dan otomatisasi
5. Tidak menimbulkan tekstur pada produk. 6. Besar butir mudah dikendalikan 7. Mudah dalam pembuatan produk beberapa paduan khusus yang susah didapatkan dengan proses pengecoran (casting). 8. Porositas produk mudah dikontrol. 9. Cocok untuk digunakan pada material dengan kemurnian tinggi. 10. Cocok untuk pembuatan material komposit dengan matriks logam. Proses metalurgi serbuk untuk aplikasi magnetik yang dalam hal ini adalah untuk memproduksi material magnetic lunak (soft magnetic materials) untuk aplikasi arus DC pada peralatan elektronik juga untuk magnet permanent. Dalam beberapa tetapi tidak berarti semua bagian dari aplikasi yang ada diproduksi dengan proses metalurgi serbuk karena metode ini dapat menghasilkan bentuk akhir dengan proses tambahan seperti machining dan grinding minimal pada satu waktu untuk mendapatkan sifat magnet yang diinginkan Material Magnetik Kuat dan Material Magnetik Lemah. Material magnetic diklasifikasikan menjadi dua yaitu material magnetic lemah atau soft magnetic materials maupun material magnetic kuat atau hard magnetic materials. Penggolongan ini berdasarkan kekuatan medan koersifnya dimana soft magnetic atau material magnetic lemah memiliki medan koersif yang lemah sedangkan material magnetic kuat atau hard magnetic materials memiliki medan koersif yang kuat. Hal ini lebih jelas digambarkan dengan diagram histeresis atau hysteresis loop sebagai berikut: Gambar 1. Diagram histeresis material magnetik. Diagram histeresis diatas menunjukkan kurva histeresis untuk material magnetic lunak pada gambar (a) dan material magnetic keras pada gambar (b). H adalah medan magnetik yang diperlukan untuk menginduksi medan berkekuatan B dalam material. Setelah medan H ditiadakan, dalam specimen tersisa magnetisme residual B r, yang disebut residual remanen, dan diperlukan medan magnet H c yang disebut gaya koersif, yang harus diterapkan dalam arah berlawanan untuk meniadakannya. Magnet lunak mudah dimagnetisasi serta mudah pula mengalami demagnetisasi, seperti tampak pada Gambar 2.5. Nilai H yang rendah sudah memadai untuk menginduksi medan B yang kuat dalam
logam, dan diperlukan medan H c yang kecil untuk menghilangkannya. Magnet keras adalah material yang sulit dimagnetisasi dan sulit di-demagnetisasi. Dimana ukuran untuk menentukan kuat atau lemahnya medan koersif adalah sebagai berikut: Medan koersif lemah adalah sebesar < 10 (A/Cm) Medan koersif kuat adalah sebesar > 300 (A/Cm) Adapun struktur mikro butir kristal dan garis gaya magnet pada tiap proses yang dilakukan selama proses pembuatan dapat dilihat pada gambar dibawah ini. Gambar 2 Struktur mikro dan garis gaya magnet pada butir kristal magnet. METODOLOGI Material/ bahan baku yang digunakan dalam penelitian ini adalah serbuk besi (iron powder). Setelah melalui proses pengayakan didapatkan butiran serbuk besi dengan ukuran 100 mesh. Adapun propertis fisik dan kimia dari serbuk besi adalah Density pada 20 0 C : 7,87 g/cc Melting point : 1536 0 C Boilling point : 3000 0 C Specific heat pada 20 0 C : 0,11 cal/g/ 0 C Heat of fusion : 65.5 cal/g Modulus elastisitas : 28,5.10 3 Mpa
Gambar 3 Serbuk besi Langkah pertama yang dilakukan dalam persiapan sample adalah menentukan komposisi dari serbuk besi (Fe) dengan pengujian XRD dan XRF. Gambar 3.7 Produk hasil kompaksi t d Gambar 4 Geometri specimen d = 10 mm, t = 3 mm Sintering Setelah dilakukan proses penekanan maka dilanjutkan proses sintering, Sintering yang dilakukan pada penelitian menggunakan suhu 1000 o C, dan dengan waktu penahanan (holding time) masing-masing selama 30, 60, dan 90 di dalam oven. Hasil cetakan disinter pada temperatur tersebut dengan laju pemanasan dan pendinginan sebagai berikut : 10 0 C/ sampai temperature 1000 0 C ditahan selama 30, 60, 90. Setelah itu temperatur diturunkan hingga temperatur kamar
HASIL DAN PEMBAHASAN Karakterisasi dengan Difraksi Sinar X Untuk mengetahui dan mengidentifikasi sample uji, dilakukan pengujian difraksi sinar-x (XRD). Dari hasil pengujian tersebut didapatkan hasil berupa grafik (difraktogram) sebagai berikut sehingga diketahui unsur penyusun dan komposisi dari serbuk besi Gambar 5 Difraktogram Sinar X serbuk besi Tabel 1 Data hasil XRD Angle Relative int. d-value (2Φ) (%) 27.875 3.198 30.1 30.135 2.963 23.4 35.485 2.528 100.0 43.160 2.094 13.8 53.560 1.710 6.7 56.905 1.617 12.6 62.585 1.483 5.9 71.165 1.324 10.4 Pengujian komposisi serbuk besi ini juga dilakukan dengan menggunakan XRF di PT. International Nickel Indonesia, Tbk (PT INCO). Adapun hasil pengujian komposisi tersebut dapat dilihat pada tabel berikut :
Tabel 2 Komposisi serbuk besi hasil analisa XRF Unsur Konsentrasi (%) Fe 67,93 C 0,23 Mg 0,19 Co 0,9 Mn 0,01 Ni 16,13 Cu 1,02 S 12,97 16 Induksi remanen (Gauss) 14 12 10 8 6 4 2 0 4 5 6 Tekanan kompaksi (ton) Holding time 30 Holding time 60 Holding time 90 Gambar 6 Pengaruh tekanan kompaksi terhadap induksi remanen pada setiap holding time Dari data hasil percobaan yaitu spesimen dengan tekanan kompaksi 6 ton memiliki nilai induksi remanen optimal bila dibandingkan dengan spesimen dengan tekanan kompaksi 4 ton dan 5 ton. Kenaikan induksi remanen magnet seiring dengan kenaikan tekanan kompaksi secara teoritis dapat dijelaskan sebagai berikut. Proses kompaksi pada dasarnya adalah merupakan suatu proses pemadatan atau pengikatan sementara antara butiran partikel menjadi suatu massa yang kompak dengan cara ditekan selama kurang lebih 3. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa semakin tinggi gaya tekan atau kompaksi yang diberikan pada serbuk maka ikatan butiran partikel bahan menjadi semakin kuat sehingga jarak antar partikel menjadi semakin rapat atau semakin kecil. Dengan butiran partikel yang semakin rapat tersebut maka densitas bahan hasil kompaksi akan semakin besar. Maka dari itu jarak antar domain-domain magnetik dalam bahan juga menjadi semakin kecil akibatnya gaya tarik menarik magnetiknya semakin kuat dan dibuktikan dengan data hasil percobaan berupa naiknya nilai induksi remanen ketika dilakukan pengukuran
Terjadinya penurunan sifat magnet dapat dijelaskan sebagai berikut. Pemberian waktu penahanan atau holding time adalah dimaksudkan untuk memberikan waktu pada partikel-partikel untuk saling berikatan satu sama lain sehingga ikatan antar serbuk akan semakin kuat. Meningkatnya ikatan setelah proses sintering ini disebabkan timbulnya liquid bridge (necking) sehingga porositas berkurang dan bahan menjadi lebih kompak. Berkurangnya porositas ini akan mengakibatkan naiknya densitas dan sifat magnetik juga akan naik. Akan tetapi jika waktu holding time semakin lama maka energi panas semakin besar yang akan mengakibatkan domain-domain magnet akan mulai acak dan tidak searah lagi. Hal ini dapat mengakibatkan penurunan sifat magnetik pada bahan tersebut. Fenomena ini ditunjukkan dengan menurunnnya sifat magnetik dengan semakin lamanya waktu holding time sintering 580 560 Kekerasan (Hv) 540 520 500 480 460 Holding time 30 Holding time 60 Holding time 90 440 4 5 6 Tekanan kompaksi (ton) Gambar 7 Pengaruh tekanan kompaksi terhadap nilai kekerasan pada setiap holding time Secara teoritis, apabila tekanan kompaksi semakin besar menyebabkan terjadinya kenaikan nilai kekerasan. Hal ini dapat diakibatkan karena semakin tinggi gaya tekan atau kompaksi yang diberikan pada serbuk maka ikatan butiran partikel bahan menjadi semakin kuat sehingga jarak antar partikel menjadi semakin rapat atau semakin kecil. Dengan butiran partikel yang semakin rapat tersebut maka densitas bahan hasil kompaksi akan semakin besar. Jika butiran partikel semakin rapat, maka pada saat proses sintering partikel - partikel akan semakin mudah untuk berikatan dan porositas akan semakin kecil sehingga akan meningkatkan nilai kekerasan bahan tersebut. Secara teoritis, semakin lama waktu holding time temperatur sintering menyebabkan terjadinya kenaikan nilai kekerasan. Pemberian waktu penahanan atau holding time adalah dimaksudkan untuk memberikan waktu pada partikelpartikel untuk saling berikatan satu sama lain sehingga ikatan antar serbuk akan semakin kuat. Meningkatnya ikatan setelah proses sintering ini disebabkan timbulnya liquid bridge (necking) sehingga porositas berkurang dan bahan menjadi lebih kompak sehingga akan meningkatkan nilai kekerasan bahan tersebut.
Pengujian Histeresis Magnet Gambar 8 Histeresis magnet kompaksi 6 ton, holding time 30 Hasil histeresis magnet pada Gambar 5.17 menunjukkan bahwa bahan serbuk besi ini merupakan bahan soft magnetik. Hal ini ditunjukkan dengan kurva histeresis yang sangat kurus dan nilai induksi remanen yang sangat kecil. Gambar 9 Histeresis magnet kompaksi 6 ton, holding time 90 Demikian pula dengan kurva histeresis pada Gambar 5.18. Kurva ini menunjukkan bahwa bahan bersifat soft magnetik. Yang berbeda hanya pada nilai induksi remanen (Br) dimana induksi remanen bahan yang disintering selama 30 yaitu sebesar 230 Gauss sedangkan bahan yang disintering selama 90 sebesar 150 Gauss. Penjelasan dari kurva histeresis tersebut adalah sebagai berikut. Garis berwarna merah merupakan polarisasi yang diberikan pada bahan. Dari polarisasi ini akan diperoleh nilai H (gaya magnet) maksimum yang diberikan pada bahan yaitu sekitar 13 koe. Setelah itu, akan muncul garis yang berwarna biru. Garis biru ini menunjukkan nilai induksi maksimum yang ada pada bahan tersebut. Setelah gaya magnet dihilangkan maka kurva biru ini akan turun dan memotong sumbu-y. Titik perpotongan ini merupakan nilai dari induksi remanen (Br) bahan tersebut
KESIMPULAN Dari data hasil percobaan dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut: 1. Nilai induksi remanen magnetik akan meningkat dengan meningkatnya tekanan kompaksi dan akan menurun dengan semakin lamanya waktu penahanan (holding time) temperatur sintering. 2. Nilai kekerasan magnet akan meningkat seiring dengan meningkatnya tekanan kompaksi dan lama waktu penahanan (holding time) temperatur sintering 3. Nilai induksi remanen magnetik yang paling tinggi diperoleh dengan tekanan kompaksi 6 ton dan holding time 30 yaitu sebesar 14 Gauss. 4. Nilai kekerasan magnet yang paling tinggi diperoleh dengan tekanan kompaksi 6 ton dan holding time 90 yaitu sebesar 562,7 HV DAFTAR PUSTAKA Beumer.B.J.M. 1985. Ilmu Bahan Logam. Diterjemahkan oleh Anwir. Jakarta : Bhratara Karya Aksara. Hausner, Henry H, Kumar Mal. 1982. Handbook of Powder Metallurgy, 2 nd Edition. New York : Chemical Publishing Co.,Inc. Henejko, Francis G, Howard Rutz, Christopher Oliver. 1992. Effect of Processing and Materials on Soft Magnetic Perfomance of Powder Metallurgy Parts. San Francisco Hirschhorn, Joel S.. 1986. Introduction to Powder Metallurgy. New Jersey : American Powder Metallurgy Institute. Idayanti,N. and Dedi. 2002. Pembuatan magnet permanen ferit untuk Flow meter, volume 5. Jakarta : Jurnal Fisika Himpunan Fisika Indonesia, 00000528-1_5. Lenel.Fritz V. 1953. Powder Metallurgy Principles and Application 1 st Edition. New Jersey : Princeton. Reitz. John J, Frederick J Milford, Robert W Christy. 1993. Dasar Teori Listrik Magnet terjemahan. Bandung : Penerbit ITB. Suherman, Wahid. 1999. Diktat Pengetahuan Bahan Teknik. Surabaya : Jurusan Teknik Mesin FTI-ITS.