p~ ~ N~ HM..t.., N~ ~ ~ X Kt 3, ISSN 1410- ,6g6

ANALISIS DATA DIFRAKSI SINAR-X DARI WOLFRAM-CARBIDADENGAN METODA REITVELD

Mawardi 1 , Nurdin Eftendi I, Mamik S. 2

1) Puslitbang lptek Bahan-BATAN; Kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang2) Fakultas Teknologi lndustri -Universitas Satyagama

ABSTRAK

ANALISIS DATA DIFRAKSI SINAR.X DARI WOLFRAM.CARBIDA DENGAN METODA RIETVELD. Telah diperoleh data difraksiserbuk sinar-x pada temperatur ruang dengan memakai eksperimen metoda step counting; kemudian data dianalisis dengan metoda profilRietveld. Hasilnya menunjukkan bahwa atom-atom karbonjerdistribusi diantara posisi-posisi kristallografi disekitar posisi 1d (1/3,1/2,2/3) dalammodel sistem kristal hexagonal yang memiliki grup ruang P6 m2. Pola difraksi juga menunjukkan adanya latar belakang difus yang sangat rendah,yang disebabkan oleh adanya distribusi atom-atom sangat stabil, yang secara kualitatif menyatakan kestabilan yang baik dan kompaknya bahanwolfram-karbida (WC) tersebut.

ABSTRACT

ANALYSIS DATA OF WOFRAM CARBIDE X-RAY DIFFRACTION BY RIETVELD PROFILE METHOD. Powder X-ray diffraction dataat room temperature have been obtained by step counting experiment and analysed by Rietveld profile analysis method. The results shows that thecarbon atoms formed were distributed among crystallographyc sites, displaced about 1d (1/3,1/2,2/3) position in the hexagonal crystallographycmodel of P6m2 space group. The diffraction pattern also showed a comparatively lower diffuse background due to the stabilized atoms distribution,which qualitatively explained the good stable and high compacted of the WC material.

PENDAHULUAN

materi dengan sifat materinya, khususnya sifatmekaniknya. Oari data literatur [1] diperoleh informasibahwa jenis struktur kristal ini memiliki kelompok grup

ruang P 6 m2 dengan label Wyckoff yang lengkap [2].Sebagai input progam, diusulkan model awal daridistribusi atom-atom karbon pacta posisi Id (1/3,1/2,2/3)

pada grup ruang P 6 m2. sedangkan parameter-parameterlainnya yang di-input-kan disesuaikan dengan data awal

[1].Komponen latar belakang yang ketiga adalah

hamburan difus disorder. Bentuk karakteristik darikomponen latar belakang ini adalah bahwa bentuk kurvamula-mula menaik, baik secara agak tajam ataupunsecara gradual, kemudian mulai pada suatu sudut tertentuakan terlihat turun secara gradual. Hal ini kurang lebihmirip dengan hamburan disorder pada bahan amorfataupun bahan non-kristalin lainnya. Hasil refinementdengan model ini memberikan Rwp = 20,7 % dengan Re= 16.07 %, dengan Faktor S = 1,279. Tabel 1

menunjukkan perbandingan antara beberapa hargaparameter kisi hasil refinement terhadap harga referensi.

Wolfram-Carbida, WC, merupakan paduanunsur wolfram (W) dengan unsur karbon (C). Wolframmerupakan unsur logam yang memiliki kekerasan yangtinggi dengan titik leleh yang juga relatif tinggi.Pemakaian dalam teknologi pertama kali adalah untukfilament pijar oleh Coolidge pacta tahun 1901. Karbonmerupakan unsur non-logam yang memiliki kekerasanyang tinggi dengan titik leleh yang paling tinggi,sehingga paduan WC merupakan salah satu karbidayang memiliki kekerasan yang sangat tinggi, sehinggacocok untuk dipergunakan sebagi bahan perkakas dalampermesinan. PactuM WC yang ditambah dengan unsurpengikat Co merupakan bahan perkakas yang banyak

dipergunakan, misalnya sebagai perakas pemotong,rimer, gurdi, dan mata bor untuk pertambangan; selainitu juga dipergunakan sebagai alat ukur, rol, komponentahan aus, ball mill, dan lain-lain.

Tujuan ditulisnya makalah ini adalah untukmengetahui struktur kristal dari bahan wolfram carbida(disingkat WC) yang diperoleh dari pasaran. Hal inipenting dilakukan terutama karena berguna jikadiinginkan untuk mempelajari kaitan antara struktur

67~, 2r; J~ 2000

A~ ~ ~ ~ ~ W+ ~ ~ Htt..J.. R'.a'idJH~~ .lIJt.

Oi sini tarnpak bahwa hingga digit ketiga, kedua basilmemiliki nilai yang sarna.

parameter diintroduksikan bahwa sampel memiliki grup

ruang P 6m2, dengan memilih model WyckoffId (1/32/3Yl) untuk posisi atom-atom C.

Tabel1. Perbandingan antara beberapa harga parameterhasil refinement terhadap harga referensi

(temperatur kamar).HASIL DAN PEMBAHASAN

Garnbar I. dibawah menunjukan basil analisisprofile Rietveld yang telah dilakukan. Titik-titik datayang diskontinu merupakan data eksperimen, sedangkangarnbar pola garis-garis profit yang kontinu merupakanpola basil perhitungan Di sini tampak bahwa hampirseluruh titik-titik yang diperoleh dari basil eksperimendifraksi berimpit dengan pola difraksi basil perhitungan.Dari Garnbar 1 terlihat pula bahwa latar belakang daricacahan intensitas sangat rendah dan berbentuk flat.Bentuk cacahan latar belakang yang rendahmenunjukkan bahwa intensitas latar belakang sangatrendah; sedang bentuk datar (flat) menunjukkan bahwaintensitas latar belakang hanya didominasi oleh intensitasradiasi alamo Bentuk kurva latar belakang yang tidakmenaik secara gradual menunjukkan rendahnyakomponen harnburan diffus termal. Hal ini dapatdiinterpretasikan secara kualitatif bahwa atom-atomterikat kuat pacta posisinya, yang berarti bahwa gerak'.'ibrasi boiak-balik dari atom-atom terse but memilikisifat harmonis dengan amplitudo vibrasi yang sangatkecil dan nyaris tidak ada sehingga hamburan diffustermal juga sangat rendah sekali; hat ini juga dapatdilihat dari bentuk latar belakang yang mendatar (flat),yang tidak menaik secara gradual. Juga dari nilai faktorsuhu B yang sangat rendah, baik untuk atom W maupununtuk atom C, secara kualitatif menyatakan bahwahamburan difus termal oleh kedua jenis atom ini sangatkecil (Garnbar 1 dan Tabel 2).

Parameter

kisi~

Referensi

2,9060 A2,8370 A

Hasil refinement

2,9065 A

2,8374 A0,025 A 2 i

~:- :

a (par.c (par. kisi)

I Bw (par. Suhu at. W)

~~par. Suhu ~. C)I Kerapatan bahan (p) I 15,67 g/cm3 I 15,666623 g/cm-

METODA EKSPERIMEN

Metoda penelitian ini dilakukan dengan duatahapan, yaitu pertama tahap pengambilan data difraksisinar-x, kedua adalah pengolahan data dengan komputerdengan menggunakan program Rietveld yang dibuatIzumi di Jepang [3]. Difraktometer sinar-x yangdipergunakan adalah jenis shimadzu XD- 76 buatanJepang. Sampel yang dibeli dari pasaran yang berupaserbuk, dipasang pada sample holder dalam alatdifraktometer sinar-x. Target yang digunakan berupabatang Co. Dengan target Co ini diharapkan diperolehpanjang gelombang K-a sinar-x sekitar 1,79 A. Besararus yang digunakan untuk menghasilkan elektron daritarget sekitar 2 Ampere, dengan tegangan pemercepatyang di set disekitar 40 kV. Karena data akan diprosesdengan komputer, maka dalam eksperimen ini digunakanteknik step counting dengan step 0,040 , dengan timecounting sekitar 20 detik setiap step.

Pengolahan data dilakukan dengan menyusundua file, pertama adalah file data intensitas yangdiperoleh dari eksperimen (percobaan). File ini biasanyadiberi ekstension into File kedua adalah file dataparameter struktur yang dicobakan. File ini harus diberinama yang sarna dengan file data intensitas, tetapi diberiekstension ins. Lalu program dieksekusi dengan inputkedua file diatas. Pada dasarnya program ini merupakan

program optimisasi dengan fungsi objektiv yangmeminimumkan kesalahan, yaitu selisih antara intensitasprofil antara basil eksperimen dengan intensitas basilperhitungan. Karena itu parameter-parameter awal jugaakan berubah nilainya, sebagai akibat dari kondisioptimum yang dipilih oleh program. Setelah programmengeksekusi data daD parameter selama beberapasiklus, maka program akan berhenti dengan sendirinyajika kondisi optimum atau konvergen telah dicapai. Jikakondisi konvergen ini tidak dapat dicapai, maka akan adapesan NDP (non definite positive). Jika eksekusimenghasilkan kondisi konvergen maka akan diperolehparamater-paramater akhir. Nilai parameter-parameterakhir inilah yang nantinya diberlakukan pada bahan(dalam hal ini WC) yang dieksekusi. Dalam file

Gambar 1. Pola difraksi hasil anaisis Rietveld.Grafik di bagian bawah : pola selisih antara intensitaseksperimen dan hasil kalkulasi (perhitungan) dengan

metoda Rietveld.

Beberapa hasil dari refinement struktur ini dapatdilihat pada Tabel 2 dibawah. Dari tabel 2 terlihat bahwanilai faktor okupasi atom C yang bemilai 1/3 atau kurangdari 1 menunjukkan bahwa dalam model posisi 1 d (1/3

~, Zg J-.: ZOOO68

A~ l)..1.. ~ ~-X ~ WJt-.-~ ~ M~ ~~M~~~.

memiliki sistem kristal hexagonal dengan posisi atom-atom C yang memiliki peluang baik, jika menempatimodel posisi interstisi Id (1/3 2/3 1/2) dalam grup ruang

P 6 m2. Karena itu, kesimpulan dari hasil penelitian inimenyatakan hal serupa. Selain itu, secara kualitatif daridata parameter temperatur yang diperoleh pada tabel jugadapat dikatakan bahwa atom-atom yang membangunmolekul wolfram carbida terikat sangat kuat, clan vibrasidari atom-atom molekul ini sangat kecil; karena datatemperatur dapat dikonversi dalam amplitudo vibrasikuadrat rata-ratanya Hal ini mendukung kesimpulanbahwa wolfram karbida (WC) memiliki molekul yangsangat stabil sehingga memiliki kekerasan yang sangat

tinggi.

2/3 1/2) terdapat tiga posisi ekivalen, ialah karena posisikoordinat (1/3 213 1/2) ini dapat diputar menurut aturanright handed.

Ilustrasi dari struktur kristal WC yang memilikisistem hexagonal ditunjukkan pada Gambar 2.

Tabel 2. Beberapa hasil dari refinement dari struktur

kristal WC.

Ki~tal Parameter kisi~i c(A) a

2,8374 90.0

a(A)

2,9065

I

b(A)

2,9065 IW(

P

90.0

~

FaktorOkuoasi

Atom I Paramo suhu Koordinat Fraksi

DAFTARPUSTAKAwc

B

0,025

0,500

x

0,01/3

y

0,02/3

z

0,0

1/2

1,0

0,3333

Gambar 2. Struktur kristal WC yang memiliki sistem

hexagonal.1: posisi atom-atom W, 2 : posisi atom-atom C.

[1]. J.L.C. DAAMS, D. VILLARS, AND JHN VANVUCHT, Atlas of Crystal Structures Types forIntermetallic Phases, ASM International vol. 2 andvol 3, 1991.

[2]. International Table For X-ray Crystallography,vol.1, Published for International Union ofCrystallography, by Kynoch Press, Birmingham,England, 1965.

[3]. IZUMI, F. , Rietan, A Softaware Package for theRietveld Analysis and Simulation of X-Ray andNeutron Diffraction Patterns, The Rigaku Journal,vol.6,No.I,I989.

[4]. WOOLFSON, M.M. , An Introduction to X-RayCrystallography, Cambridge University Press,Vikas Publishing House, 1980.

[5]. M.F.C. LADD, AND R.A. PALMER, StructureDetermination By X-Ray Crystalography, PlenumPress, New York, London, 1977.KESIMPULAN

Dari basil penghalusan (refinement) dan diskusidiatas dapat disimpulkan bahwa struktur kristal WC

TANYA-JAWAB

Penanya : Fathurrachman (BA TAN)I. Sebenamya apakah tujuan pokok penelitian saudara dan sisi mana Industri dapat memanfaatkan masalah

ini?

Jawaban., Tujuan pokok dari penelitian ini adalah untuk mengetahui struktur bahan Wolfram-Carbida dengan

perangkat lunak Rietveld sehingga dapat diketahui struktur bahan tersebut dengan lebih teliti. Bahan ini

dalam industri digunakan sebagai sumber sinar-x.

69~, 2g J~ 2000

A~ ~ ~ ~-X ~ W..tt--~ ~ H~ R~dJH_~ .lU.

LAMPIRAN

*** R factors, final parameters, and their estimated standard deviations ***

NESD = 1OF = 2533.35Rwp = 20.57R1 = 7.88

Rp = 14.49

RF = 4.38RR = 15.48 Re = 16.07 S = 1.2797 d = 1.4582

No. A2.330270E-02

O.OOOOOOE+OOO.OOOOOOE+OO2.97457

-1.239660.889751

-0.550377-0.155265-3.059856E-02-0.102116

0.394178O.OOOOOOE+OOO.OOOOOOE+OOO.OOOOOOE+OOO.OOOOOOE+OO3.637539E-05

3.055597E-03

2.858276E-043.823939E-04

O.OOOOOOE+OO

5.292335E-02O.OOOOOOE+OO

-1.632383E-02O.OOOOOOE+OO5.052 1 95E-02O.OOOOOOE+OOO.OOOOOOE+OO1.00000

O.OOOOOOE+OO2.90652

2.906522.83741

90.000090.0000

120.000O.OOOOOOE+OO1.00000O.OOOOOOE+OOO.OOOOOOE+OOO.OOOOOOE+OO2.500000E-O20.3333330.3300000.6600000.5000000.500000

SIGMA1.923357E-O7

2345678910

2.281301E-O37.505596E-O31.117825E-O21.570930E-O22.040337E-O22.628785E-O23.099964E-O23.221268E-O2

1213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546

2.0881 82E-071.75294IE-052.504 1 48E-058.212074E-06

5.109424E-O4

.O41715E-O3

9.372186E-O4

1.657575E-O4

1.204101E-O4

w

c

Zero-point shift, ZSpecimen-displacement parameter, OsSpecimen-transparency parameter, TsBackground parameter, b 1Background parameter, b2Background parameter, b3Background parameter, b4Bacgground parameter, b5Background parameter, b6Background parameter, b7Background parameter, b8Background parameter, b9Background parameter, bIOBackground parameter, b 11Background parameter, b 12Scale factor, sGaussian FWHM parameter, UGaussian FWHM parameter, VGaussian FWHM parameter, WScherrer coefficient for Gaussian broadening, PLorentzian Scherrer broadening XAnisotropic Scherrer broadening, XeStrain broadening, YAnisotropic strain broadening, YeAsymmetry parameter, AsReserved for future extensionReserved for future extensionPreferred-orientation parameter, rNot used when NPROR = 3

Lattice parameter, aLattice parameter, bLattice parameter, cLattice parameter, alphaLattice parameter, betaLattice parameter, gammaOverall isotropic atomic displacement parameter, QOccupation factor, gFractional coordinate, xFractional coordinate, yFractional coordinate, zIsotropic atomic displacement parameter, BOccupation factor, gFractional coordinate, xFractional coordinate, yFractional coordinate, zIsotropic atomic displacement parameter, B

70 ~I 2~ J...,..:. 2000

A~ ~ ~ ~-X k,,;. W+--~ ~ HaM.. R~tUH..wM.l;. .lU.

Lattice parameters (Angstrom or degree) and unit-cell volume (Angstrom..3) in WC

A2.906520.00017

b2.90652

alpha90.0000

c2.837410.00012

beta90.0000

V20.7590.002

gamma120.0000

Structure parameters, g, x, y, z, and B/Angstrom**2, in WCIOO*B/nm**2

neq *1

3

x y z B.0000 0.00000 0.00000 0.00000 0.025

.0000 0.33000 0.66000 0.50000 0.500

wg = n1.0000 1--0.3333 1c

neq: multiplicity of the Wyckoff position (number of equivalent points per unit cell)n: number of equivalent atoms per unit cell

Atomic displacement parameters, IO**6*beta, IO**6*U/Angstrom**2, and B/Angstrom**2 in WC

IO**8*U/nm**2 IOO*B/nm**2

beta I I beta22 beta33 betal2 beta13 beta23 VII V22 V33 VI2 VI3986 986 776 493 0 0 317 317 317 158 0

19729 19729 15526 9864 0 0 6333 6333 6333 3166 0

0230

0

Beqw

c

Isotropic temperature factor = exp( -B *(sin(theta)/lambda)* *2) = exp( -B/(4*d**2»Anisotropic temperature factor =

= exp(-(h**2*betaI I + k**2*beta22 + I**2*beta33 + 2*h*k*betaI2 + 2*h*l*betaI3 + 2*k*l*beta23»

=exp(-2*pi**2*(h**2*(a*)**2*UII +k**2*(b*)**2*U22 + 1**2*(c*)**2*U33+ 2*h*k*(a*)*(b*)*UI2 +2*h*I*(a*)*(c*)*UI3 +2*k*I*(b*)*(c*)*U23)

Number and weight of each species in the unit cell, and density for WC

NUPDT=O NFR = 0 NDA=O

71~I 2g J~ 2000