Prosiding Pertemuan [Imiah [Imu Pengetahuan don Teknologi Bahan'99Serpong, 19-100ktober 1999 ISSN 1411-1113

PENGARUH FRAKSI POLIPROPILEN PADA MAGNETPERMANEN Nd-Fe-B BERPEREKA T TERHADAP

SIFAT KEMAGNETAN

Azwar MaDar daDJalu Tejo NugrohoUniversitas Indonesia Fakultaa Matematik daD IImu Penegetahuan Alam

Jurusan Fisika Kampus Baru Uf, Depok 16424e-mail: azwar@makara.cso.ui.ac.id

ABSTRAK

PENGARUH FRAKSI POLIPROPILENE PADA MAGNET PERMANEN ND-FE-B BERPEREKA T TERIIADAP

SIFA T KEMAGNET AN. Telah dilakukan pembuatan dan pengukuran sifat kemagnetan magnet permanen Nd-Fe-B berperekatpolimer. Magnet berperekat dipersiapkan dengan teknik kompresi dengan aplikasi beban tekan yang divariasi mencapai 6 ton.Pengukuran kerapatan magnet menunjukkan bahwa kerapatan efektip t..:rjadi pada tekanan - 1,42 GPa menghasilkan magnetberperekat dengan fraksi pori -10 %. Proses curing terhadap magnet pada temperatur dekat titik lelehnya efektip mengurangipori sehingga magnet berperekat dengan kerapatan mendekati nilai teorl dapat diperoleh dengan mudah. Pada penelitian ini, efekkomposisi magnet berperekat terhadap sifat kemagnetannya dievaluasi dengan Vibrating Sample Magnetometer, VSM menggunakanmedan magnet luar 5 T. Hasil evaluasi menunjukkan bahwa semua sifat dasar kemagnetan mengalami penurunan. Namun magnetpermanen berperekat dengan sifat yang optimal terjadi pada komposisi magnet dengan fraksi volume perekat -30 %.

ABSTRACT

POLYMER BONDED ND-FE-B PERMANENT MAGNETS HAVE BEEN MADE BY A COLD COMPRESSION

TECHNIQUE EMPLOYING UNIAXIAL PRESSURES UP TO 5 TON FORCE. A compression pressure of - 1.42GPawasfound to be effective for bonded magnet with the lowest pore volume fraction of - 10%. Curingtreatment to bonded magnets nearmelting temperature of binding material improved the bulk density ofthe magnets and hence, the density close to its theoreticalvalue was easily achieved. In this research works, the effects of binder agent addition on the magnetic properties of bonded Nd-Fe-B permanent magnets were also evaluated by Vibrating Sample Magnetometer (VSM) equipped with a 5 T magnetic filed.Results of evaluation indicate that all basic magnetic properties derived from bonded magnets decreased due to a dilution ofmagnetic materials in the magnets. However, it was found that a composition of30 % binder agent derived optimum properties.

Key words: Nd-Fe-B, bonded magnets, magnetic properties

PENDAHULUAN

Sifat kemagnetan magnet permanen berbasisNd-Fe-B berasal dari fags magnetik Ndlel4B yangpertama sekali diperkenalkan oleh Croat [I] daDSagawa [2] pactatahun 1983.Fasa magnetik ini menjadipenting karena sifat kemagnetan intrinsiknya yangsuperior seperti medan anisotropi, polarisasi total daDproduk energi maksimum yang tinggi dibandingkandengan rasa-rasa magnetik kelas sebelumnya sepertiferrite,alnicodaDSm-Co[3-5].Sejakswat pengenalannyatelah banyak penelitian intensip dilakukan daDbanyakkemajuan yang telah dicapai serta inovasi-inovasisintesis barn yang dikembangkan. Salah satu inovasipenting yang telah dikembangkan adalah pencampuranbahan magnetik Nd-Fe-B ini dengan bahan polimersebagai media perekat sehingga dihasilkan magnetpermanen berperekat alan bonded permanent magnetsyang memiliki aplikasi luas pada berbagai produkteknologi [6].

Salah satu sifat superior dari magnet Nd-Fe-Bberperekatdibandingkandengan magnet permanen yanglain atalah fisiknya yang dapat dengan mudah dibentukdaD mampu beradaptasi dengan bentuk-bentuk yangrumit serta bahan utamanya adalah besi (Fe) murah daDberlimpah. Dengan perkataan lain, magnet Nd-Fe-Bberperekat sanggup memenuhi baik "cost effective"dalamprosesfabrikasimaupun "volume effective"dalamproduk teknologi. Namun sifat kemagnetan magnetpermanen berperekat umumnya lebih rendahdibandingkan dengan sifat kemagnetan bahan magnetpermanen itu sendiri oleh karena adanya penambahanbahannon-magnetiksebagaiperekatpactamagnet.Makinbesarjumlah bahan magnetikuntuk setiapsatuan volumemagnet berperekat makin besar pula penurunan sifatkemagnetan tersebut. Penurunan sifat kemagnetan itutidak saja ditentukan olehjumlah bahan magnetik pactamagnet tetapi faktor preparasi magnet berperekat ikutmenentukan sifat kemagnetannya. Karya tulis inimembicarakan proses fabrikasi magnet Nd-Fe-B

Pengaruh Fraksi Polipropilen pada Magnet Permanen Nd-Fe-B Berpe,ekat terhadap Sifat Kemagnetan(Azwar Manaf)

berperekat untuk mendapatkan sifat kemagnetan,terutama remanen, koersivitas clan produk energimaksimum yang optimal serta implikasi fraksi bahanperekat terhadap sifat kemagnetannya.

TATAKERJA

BahanmagnetikNd-Fe-Byangdigunakandidalampenelitian ini adalah bahan komersial bermerek dagangMQP-O yang dipersiapkan melalui proses rapidsolidification dengan teknik melt spinning [7]. Bahanditerimaberupa fragment-fragmentmetal denganukuranbeberapa Talus mikron. Fragmen metal magnetik iniselanjutnya dihaluskan melalui proses milling untukmencapai ukuran serbuk lolos saringan 38 11m.Serbuk-serbuk halos ini siap dicampurkan dengan bahan perekatdengan perbandingan berat sesuai dengan komposisiyang ditentukan. Pactapenelitian ini, digunakan serbukpolimer polipropilen (PP) sebagaibahan perekat dengankomposisi antara bahan magnet clanbahan berperekatmasing-masing,20 %; 30%;40% clan50% ftaksi volume.Fraksivolume initerlebihdahulu dikonversikankedalamftaksi berat agar dapat diketahui berat bahan perekatmaupun bahan magnet yang diperlukan. Konversidilakukan dengan menggunakan persamaan I :

p = v P + v P (l)c pp mm

p menunjukkan kerapatan clan v menunjukkan ftaksivolume. Indeks c, p clanm masing-masing menyatakanmagnet berperekat,perekatclanbahan magnet.Diketahuibahwa kerapatanNd-Fe-B adalah 7,55gr.cm.3[8] clanPPadalah 0,93 gr.cc.3. Degan nilai vpclan vm masing-masingtelah ditetapkan maka kerapatan magnet berperekat dapatditentukan berdasarkan persamaan (I ). Dengan demikianmassa masing-masing bahan bisa diketahui.

KompresiIPenekanan

Bahan magnet berperekat berupa serbukdimasukkankedalamcetakan(die)bajaberbentuksilinderdengan diameter dalam 6 mm. Serbuk dalam cetakandipadatkan dengan mesin penekan hidraulic ShimadzuMP 500 berkapasitas beban maksimum 70 ton. Tekanankompaksi divariasidenganbeban antara I sampaidengan5 ton. Hasil proses kompaksi ini berupa sampel padatdengan ketebalan tertentu. Untuk mendapatkan datayang representatip,maka pactaproseskompaksi inisetiapkondisi diwakili oleh minimal 3 sampel. Kerapatan tiapsam pel dievaluasi dengan mengukur berat clanvolumenya. Pengukuran dilakukan tiga kali clandiambilnilai rata-ratanya. Berat sampel ditimbang dengan alattimbangan digital. Sedangkan pengukuran dimensisampel dilakukan dengan alat ukur flat micrometerdengan ketelitian 111m.

Curing

Proses inidiperlukan untuk mendapatkan sampelmagnetberperekatdengandaya rekat optimal.Pactatahapini seluruh sampel dipanaskan di dalam furnace merekThermolyne 6000 dengan temperatur curing 100 °c -150 °C selama 8 jam. Sampel magnet berperekat basilproses ini kembali dievaluasi kerapatannya dengan earnyang sarna untuk dibandingkan dengan kerapatansebelum proses curing.

Magnetisasi

Untuk mengtahuisifat kemagnetanyang meliputiremanen (B, atau J,), koerfisitas intrinsik clan energiproduk maksimum (BH)m.. ,maka sampel dengankomposisi berbeda tersebut, hams dimagnetisasi untukmendapatkan loop hysteresis B versus H atau J versusH. Pengukuranmagnetisasidilakukandengan VSM milikNational Universityo/Singapore (NUS), dengan medanmagnet loaf yang digunakan adalah 5 Tesla. Dalam hatini sampel terlebih dahulu dipotong tipis disesuaikandengan ukuran alai, juga dimaksudkan agar medanmagnet batik yang timbul (Hd)pactamagnetisasi dapatdiabaikan. Hasilluaran pengukuran berupa sekumpulandata-data numerik untuk pembuatan kurva loophysteresis beserta dengan para meter-para meterkemagnetannyayang kemudian di simpan dalam sebuahdisket utnuk tujuan reproduksi.

HASIL DAN ANALISIS

Kerapatan Magnet

Pacta Gambar I ditunjukkan hubungan antarakerapatan rata-rata magnet terhadap pembebanan baiksebelum maupun sesudah curing untuk magnet denganftaksi volume fraksiperekat PP 20 %. Data lengkap basilpengukuran kerapatan termasuk untuk komposisi y~glain diringkas berturut-turut pactaTabel I, 2 clan3. DariTabel tersebut, dapat dilihat bahwa nilai kerapatanmendekati - 100 % nilai kerapatan teori terjadi pacta

5.9-

5.8 -

5.7 -

"'s 5.6~ 5.5DI)

i 5.4-... 5.3

.~ 5.2Q 5.1

54.9 -

0

I : SebelumGJring--- Setelah GJring

2 3 4

Bebut (ton)

Gambar 1. Grafik kerapatan Magnet Nd-Fe-Bberperekat dengan ftaksi PP 20 % terhadap bebanpenekanan

5 6

215

Prosiding Pertemuan limiah limu Pengetahuan dan Teknologi Bahan'99Serpong, 19-20 Oktober 1999 ISSN 1411-2213

Tabel 1. Data lengkap kerapatan rata-ratamagnet dengan fraksi PP 20 % terhadappembebanan.

Tabel 1. Data lengkap kerapatan rata-ratamagnet dengan fraksi PP 30 % terhadappembebanan.

Keterangan P, = 5,56 gr.cm'J (kerapatan teoritik)

Tabel 3. Data lengkap kerapatan rata-ratamagnet dengan fraksi PP 40 % terhadappembebanan.

Keterangan Pt = 4,90 gr.cm-J(kerapatanteoritik)

gaya 4 ton atau ~ 1,42 GPa. Pada tekanan yang lebihtinggi justru terjadi penurunan kerapatan, mungkindikarenakanterbentuknyaretakanpada magnet.Jadipadastudi ini telah jelas terlihat bahwa terdapat tekananefektip, dalam hat ini ~ 1,42 GPa untuk proses pemadatanuntuk menghasilkan magnet berperekat hampir bebaspori. Studi ini juga memperlihatkan efek curing untukmenurunkan fraksi pori didalam magnet terlihat tidakbegitu efektip karena pada umumnya pada tekananoptimal tersebut, kenaikan kerapatan sesudah curinghanya sekitar 1-2% (Tabell). Namun perlu diperhatikanjustru pada tekan pemadatanyang lebihrendah,kenaikankerapatan setelah curing bisa mencapai - 5 %. Inimemberikanindikasibahwacuringcukupefektipmengisirongga-rongga kosong yang terdapat dalam magnetkarena diduga terjadi aliranekspansi rantaipolimer padatemperatur-temperaturdekat titik lelehnya.

Curing pada magnet berperekat telah diperlihatkan efektifmengurangi porositaspada magnetmeskipunkenaikan kerapatan karena efek curing tidak begitufantastis. Namun daTi basil uji kekerasan Vickers [9]terhadap dua daerah yang berbeda pada magnetberperekat, yaitu pada daerah bahan magnet clandaerahantar batas bahan magnet dengan PP, menunjukkanadanya kenaikan kekerasan terhadap peningkatan

temperatur curing, terutama untuk temperatur dekat titikleleh perekat yaitu 120"C clan 150 "C, umumnya tetjadipeningkatan kekerasan lebih daTi 80 persendibandingkan dengan kekerasan saat temperatur curing100 "C untuk komposisi pada daerah indentasi bahanmagnet. Kenaikan kekerasan bahan magnet pad a daerahantar batas tentulah berkaitan dengan meningkatnyakekuatan ikat antara bahan magnet dengan matrik akibatprose,. curing, sehingga fragment-fragment bahanmagnet ada dalam posisi yang mantap.

SiCat kemagnetan

Lima buahmagnet berperekat berhasil dievaluasisifat kemagnetannya dengan VSM. Seperti dijelaskanterdahulu [10] bahwa sifat kemagnetan diturunkan daTiloop histeresis J-H atau B-H. Dalam penelitian ini loophisteresissampelmagnetberperekatdiambilmelaluiVSMdengan menggunakan medan magnet loaf sebesar 5 T.Pada gambar 2 ditunjukkan loop histeresis J-H clanB-HdaTisalah satu magnet Nd-Fe-B berperekat dilengkapidengan kurva J-H kuadran kedua serta energi produkmaksimum, (BH)max'

DaTiloop histeresis masing-masing sampel uji

(aE 0

~ -I

.2

=r=~.J

-4.J .2 -I 0 1

~" Hin (Toola)

(Tesln)0.6

(b)

0

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

-1200 -700Hin (kAlm)

-200

8 rr. d. )0.6

O.S

0.4

(c) O.J

0.2

0.1

10 20 JO 40 soBHmax (kJlm3)

60

Gamba, 1. a) Kurva Loop Hysteresis J-Hmagnet denga fraksi PP 20 % b). Kurva J-Hkuadran kedua dan c) kurva energi prooduk (BH)

"UL

Pengarull Fraksi Polipropilen pada Magnet Permanen Nd-Fe-B Berperekat terlladap Slfat Kemagnetan(Azwar Manaj)

dapat diturunkan beberapa sifat kemagnetan yangdiringkas pada Tabel 4. Perlu diperhatikan, kurvapolarisasi J kuadran kedua memegang peran pentingdalam penentuan energi produk maksimum. Dari kurvaJ-H kuadran kedua pula dapat diketahui langsung nilairemanen daD koersivitas intrinsik, JHC' Sedangkankoersivitas yang diturunkan dari kurva B-H kuadrankedua disebut sebagai koersivitas normal, bHc' DariTabel 4 terlihat bahwa koersifitas, daDenergi produkmaksimum tertinggi dimiliki oleh magnet dengan ftaksiperekat PP sebesar 20%, sementara untuk remanenterbesar ada pada magnet dengan ftaksi PP sebesar 0 %.Dapatdikatakanbahwapenurunannilairemanensemakinbesar dengan bertambahnya ftaksi perekat polimer.Secara fisis, hal ini sesuai dengan definisidari remanen,yaitu roomeDmagnet rag tertinggal pada bahan per unitvolume saat medan luar dihilangkan setelah tercapaikeadaan saturasi. Dengan bertambahnya fraksi nonmagnet,makajumlahtotalroomeDmagnetperunitvolumepun berkurang, sehingga nilai remanen turun. Selainpengaruh komposisi campuran, proses curingtampaknyajuga berperan dalam menentukanparameterkemagnetanpada magnetberperekat.Inibisadilihatpadamagnet dengan fraksi 30% (tanda .), temperaturcuringnya berada pada daerah "softening point"mendekati titik leburperekat, terlihat mempunyai hargakoersifitas daD energi produk maksimum tertinggidibandingkan dengan komposisi lainnya.

Tabel 4. Sifat kemagnetan dasar magnetNd-Fe-B berperekat dievaluasi dengan VSM

20304030.

-9921034

-1028-1012

49563647

-347-399-317-347

0.620.570.480,55

Diperkirakanpada temperatur ini,matriks secaraefektif mengikat bahan magnet dengan mantap daDstabil, sehingga meningkatkan contact area daDkekuatan ikat, yang pada akhimya kerapatan bakalanserta interaksiantar butir bahan magnet akan meningkatpula. Bila dibandingkan dengan magnet dengan ftaksiperekat 0 %, penurunan parameter kemagnetan yangterjadi pada magnet berperekat mencapai 19%sid 38%untuk remanen, 4% sid 8% untuk koersifitas intrinsik,18%sid 35% untuk koersifitas normal daD33% sid 57%untuk energi produk maksimum.

Untuk lebihjelasnya,penurunansifatkemagnetanpada magnet berperekat yang dibuat terhadap bahanmagnet diringkas pada Tabel 5. Dari data pada Tabel 5terse but terlihat bahwa dengan sedikit perbedaankomposisi massa bahan penyusun, temyata telah teJjadiperbedaan parameter yang cukup besar, terutama padaenergi produknya. Ini menunjukkan betapa besarpengaruh perekat non magnet dalam hal penurunan sifatkemagnetan.

Tabel 5. Prosentase penurunan parameterkemagnetan sampel.

304030.

446

183529

263829

335744

Bila dilihat dari keempat komposisi, beberapaparameter kemagnetan tertinggi dimiliki oleh magnetdengan ftaksi 30% PP sehinggadiduga bahwa disampingbergantung pada komposisi, sifat kemagnetan jugaditentukan oleh faktor lain, misalnya proses curing padatemperatur mendekati titik lebur perekat. Disamping ituterlihat penurunan koersifitas pada magnet berperekattemyata tidak sebesar yang terjadi pada remanen daDenergi produk daD ini sesuai dengan penelitianCoer dkk [ 11].

KESIMPULAN

Dari kegiatan penelitian yang mencakup preparasidaDanalisis sifat kemagnetan Nd-Fe-B berperekat polimerini dapat disimpulkan bahwa besar tekanan efektip untukmencapai kerapatan tertinggi adalah - 1,42 GPa daD perludiiukuti oleh proses curing pada temperatur dekat titikleleh bahan perekat agar diperoleh magnet berperekatbebaspori. Efek penambahanbahan perekat m~nurunkanhampirseluruh sifatdasarkemagnetanNamun ditemukan:bahwa ftaksi volume perekat -30 % menghasilkan magnet

permanen berperekat dengan nilai (BH)maxtertinggi.

UCAP AN TERIMA KASIH

Penelitian ini bisa terlaksana berkat dukungan danapenelitian yang disediakan oleh Direktur PembinaanPenelitian daD Pengabdian pada Masyarakat, DirjenDIKTI, Departemen Pendidikan daD Kebudayaan RIdibawah projek Hibah Bersaing Perguruan Tinggi VIIdengan nomor kontrak 004/HB VIIILPlUIN/1998 daDpenulis menyampaikan banyak terima kasih. Penulis jugaberterimakasih kepada sdr Jalu Tedjo Nugroho yang telahaktip membantu pelaksanaan riset di bawah pengawasanpenulis sebagai pembimbing tugas akhir kesarjanaannyapadajurusan Fisika FMIP A-UI.

DAFTARACUAN

[I]. 1. J. CROAT, 1.F. HERBST,R.W.LEEandF.E.PINKERTON,J. Appl.Phys.,55(1984),2078.

[2]. M. SAGAWA, S. FUJIMURA, N. TOGAWA, H.YAMAMOTOand Y. MATSUURA, 1.Appl. Phys.55(1984),pp2083-2087.

[3]. J.D. Livingstone, in Proc. Eight. Int. Workshop onRare Earth Magnetsand Their Applications,ed. K.J.Stmat, Dayton,Ohio, USA, (May 1985),423.

.,1'7

Prosldlng Pertemuon 11m/Dblimu Pengetahuan don Teinologl Bahan'99Serpong, 19-200ktober 1999 ISSN 1411-2213

[4]. R SKOMSKIandJ.M.D.COEY,IEEETrans.Magn.,29(1993),2860.

[5]. UK Magnetics Society,"Magnews", Winter(1998)[6]. W.T.B~CKI, inProc. Int.Conr.NdFeB97, April

1997,Gorham/IntertechConsulting,Portlland.[7]. lJ. CROAT, J.F. HERBST, R.W. LEE and F.E.

PINKERTON,Appl.Phys.Lett.44(1984), 148.[8]. P.B.OWAN,JP.SCULLY,D.BINGHAM,J.S.COOK,

RK. DAY,J.P.DUNLOPandRO. HEYDON,inProc.of the 9. In. workshop on Rare Earth- Magnets andtheir Applications, Part I (eds: H. Heget and R.Poerschte), Bad Soden, 31 Agust-3 Sept., (1987),pp701-707.

[9]. 1.T. NUGROHO, Skripsi S I, Jurusan Fisika-FMP A-UI(I998).

[10]. A. MANAF, "Sifat Kemagnetan Intrinsik Fasa

N~Fe,4B Untuk Aplikasi Magnet Pennanen", karyab..listidak dipublikasikan, Perpustakaan FMIPA-UI(1999), Depok.

[II). J.M.D. COEY and K.O OONNELL, J. Apll. Phys., 81(1997).