Pros;d;ng Seminar Nas;onal Bahan Magnet JSerpong, J J Oktober 2000 /SSN /4/ / -7630

PENGARUH KOMPOSISI DAN BEBAN TEKAN TERHADAPKARAKTERISTIK RIGID BONDED MAGNET Nd-Fe-B

DENGAN BAHAN PENGIKAT RESIN EPOKSI

Su

Margie Christina', Aloma Karo-Karo2, Maya Febri2 Akhmad Herman Yuwonol1.lurusanMetalurgi FTUI, Kampus Baru Depok UI, 16424

2P31B-Batan, Kawasan PUSPIPTEK Serpong, Tangerang, 15314

ABSTRAK

PENGARUH KOMPOSISI DAN BEBAN TEKAN TERHADAP KARAKTERISTIK RIGID BONDED MAGNETNd-Fe-B DENGAN BAHAN PENGIKA T RESIN EPOKSI. Pengaruh Komposisi clan Beban Tekan terhadap KarakteristikRigid Bonded Magnet Nd-Fe-B denganBahan Pengikat Resin Epoksi. Telah diteliti salah satu cara fabrikasi magnet permanenberbasis logam tanah jarang (Nd-Fe-B) yang sedang berkembang adalah denian penambahan bahan pengikat non-logam ataupolimer, yang disebut magnet berperekat (composite bonded magnet). Walaupun teknologi ini memiliki konsekuensi berupapenurunan sifat kemagnetan (seperti remanen clan energi produk) dibandingkan dengan magnet sinter, tetapi acta beberapakeuntungan lain yang didapatkan yaitu : massanya yang ringan, mudah dalam proses pembuatan clan tidak membutuhkan prosespemesinan akhir, dapat beradaptasi terhadap bentuk yang rumit secara tepat serta harganya yang bersaing karena biaya produksi.Pembuatan cuplikan rigid bonded magnet dengan menvariasikan fraksi volume serbuk Nd-Fe-B (25%, 45%, 60% clan 80%)terhadap jumlah polimer sebagai bahan pengikat, serta menvariasikan besar be ban tekan (6,9; 13,9 clan 20,2 ton/cm2).Cuplikan-cuplikan tersebut kemudian dikarakterisasi dengan besar kuat medan magnet, pengujian sifat mekanis clan struktur mikro cuplikanrigid bonded magnet. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kuat medan magnet dipengaruhi oleh rapatjenis komposit magnet.

Kata Kunci: Rigid Bonded Magnet, Nd-Fe-B, resin,epoksi

ABSTRACTEFFECT OF COMPOSITION AND COMPRESSIVE LOADING TO CHARACTERISTIC OF ND-FE-B RIGID

BONDED MAGNETS WITH RESIN EPOXY AS BINDER.A recently introduced material in the Nd-Fe-B family is thecomposite bonded magnet. Bonded Nd-Fe-B magnets are composite permanent magnets compounded of non-metallic or polymeras binder and Nd-Fe-B powder. Altough the induction remanent and energy product of bonded permanent magnets are generallylower than fully-densified type magnets due to addition of non-magnetic material, the Nd-Fe-B bonded magnets provide manybenefits over fully dense magnets such as the ability to manufacture intricate shapes with exceptional precision and no additionalmachining required in the process used for their fabrication, light weight and lower production cost. The composistion of rigidbonded magnets are 25%, 45%, 60% and 80% Nd-Fe-B volume fraction with 6,9; 13,9 and 20,2 tons/cm2 compressive load. Eachsample was then characterized in magnetic field, then followed with mechnanical characterization test and microstructureexamination. The results of this experiment indicate that greater composite's density results in higher magnetic field force of

samples.

Kew Word: Rigid Bonded Magnet, Nd-Fe-B, resin, epoxy

PENDAHULUANrigid bonded magnet, yaltu:I. Bahan logam, merupakan bahan yang menyimpan

sifat kemagnetan.2. Bahan nori-logam, yaitu bahan polimer yang

fungsinya mengikat serbuk-serbuk logam.Tujuan penelitian ini adalah mempelajari pengaruh

perbandingan komposisi serbuk magnet Nd-Fe-B danmatriks polimer terhadap sifat kuat magnet. Selain itupenelitian ini bertujuan mempelajari pengaruh besarbeban pada saat penekanan tehadap karakteristik(kekerasan dan persentase porositas) bakalan rigid

bonded magnet.

Dalam selang abad ini industri magnet khususnyamagnet permanen mengalami perkembangan pesat.Antara tahun 1990 hingga 2000 peningkatan konsumsimagnet mencapai 12,2% tiap tahunnya. Pada tahun 2000diperkirakan nilai total produksi magnet dunia akan

mencapai $6,5 juta'[ 1] "Salah satu inovasi terbaru dari material magnet

adalah rigid bonded magnet (RBM) berbasis logam tanahjarang (Nd-Fe-B) denganmenggunakan bahan pengikatpolimer. Jenis magnet ini banyak digunakan terutamauntuk aplikasi komponen magnet yang membutuhkanbentuk-bentuk kompleks. Ada dua komponen utama dari

48

Pengaruh KOmpOSi.fi danbeban Tekan Terhadap Karakteristik Rigit Brmded Magnet Nd-Fe-Bdengan bahan Pengikat Re.fin Epok.fi (Margie Christina)

TA TA KERJA PENELITIAN BASIL DAN PEMBAHASAN

1. Pemilihan Komposisi Matriks

Pada bagian ini dilakukan analisis pengaruhkonsentrasi pengeras EDA dan konsentrasi pelaruttoluena terhadap kekerasan matriks polimer.Konsentrasi resin epoksi yang digunakan besarnyakonstan.

'I.." o.~

Pada penelitian ini digunakan serbuk logam Nd-Fe-B dengan nama dagang MQP-O. Merupakan serbukhasil melt spinning dengan pendinginan cepat.Ketebalannya 30-50~ dengan lebar lebih kecil atau samadenganl,5 mm. Komposisi matriks yang ideal didapatkandengan melakukan percobaan secara 'trial and error'sehingga pada saat pencampuran akan didapatkan sifatbakalan RBM yang optimal. Komponen matriks daD

komposisinya yaitu:1. Resin epoksi, merk dagang Eposir ~ 7120.2. Bahan pengeras matriks, EDA (etilen diamina)

produk Merck.3. Bahan pelarut serbuk, toluena produk Merck.

Tabel I.Rasio Komposisi Matriks.

02 0" 0.0 DA 1 12 02 0" D. DA 1 12 02 ...

Ka..-1si Toluena 1m)--

Gambar 1. Grafik Kekerasan Awaf Makiks.

~._~Q,600, 800.1000,1200 I1,739 200,400,600.800. 1000. 1200 I

700 200. 400

Setelah menghitung komposisi, dilakukanpencampuran resin epoksi, bahan pengeras (EDA) daDpelarut toluena. Proses pengadukan dilakukan selama 2menit dengan menggunakan spatula sebagai alatpengaduk dalam wadah kaca arloji. Untuk setiapkomposisi dibuat tiga serio

Sampel bakalan (green compact) merupakan basilpencampuran matriks polimer daD serbuk MQP-O.Tabel 2 di bawah ini memberikan perbandinganpersentase antara serbuk MQP-O daD matriks polimer.

Tabel 2. Perbandingan persentase serbuk MQP-O dengan matrikpolimer.

Dari grafik tersebut (Gambar 1), untuk konsentrnsiresin epoksi konstan terjadi peningkatan kekerasanmatriks dengan bertarnbahnya konsentrasi pengerasEDA. Sedangkan untuk konsentrasi EDA yang konstanseiring dengan bertambahnya konsentrasi pelaruttoluena, terjadi penurunan nilai kekerasan. Nilaikekerasan awal matriks tertinggi sebesar 7,78 HVN; yaitudimiliki rasio komposisi ED A : Toluena sebesar0,35 : 0,2.

Untuk menghitung besar persentase porositasdigunakan program Image Profile. Persentase porositasmatriks ternyata cukup rendah yaitu berkisar antara 0,17hingga 1,61 %, nilai terendah dimiliki oleh rasio komposisiEDA:Toluena sebesar 0,35:0,2 (lihat Graflk2). Dari basilpengujian kekerasan daD porositas matriks di atas, makadipilih rasio komposisi EDA : Toluena sebesar 0,35:0,4

Serbuk MQP-O

25%

45%

60%

80%

Matriks polimer

Kom posisi 1

Komposisi 2

Komposisi 3

Komposisi 4

75%

55%

40%

20%

2.~

III

~'in0~0

Q.GIIIIIV~GIIII~GI

Q.

Tahapan proses selanjutnya, sebagai berikut:.Pengadukan serbuk MQP-O dan matriks polimer

selama 2 menit dilakukan dengan menggunakanspatula sebagai alat pengaduk dan kaca arlojisebagai wadahnya, agar tercapai suatu campuran

yang homogen..Proses penekanan dengan beban 6,9; 13,9 daD 20,2

ton/cm2 selama satu jam. Sampel yang dihasilkanberbentuk silinder.

.Setelah itu dilakukan proses pre-curing selama 45menit, proses curing pacta temperatur 80.C selama

6jam

O,~0,2 0,4 0,6 0,2

Ka11J()Sisi Tauena (ni)0,40,2

Gambar 2. Grafik Persentase Porositas Matriks.

49

Pro.riding Seminar Nasional Bahan Magnet ISerpong, 11 Okt()ber 2000 ISSN1411- 7630

sebagai komposisi matriks yang ideal. Untuk komposisitersebut nilai kekerasannya mencapai 8,1 HVN daD

persentase porositasnya hanya 0,17%.

Dari grafik di atas juga terlihat bahwa seiringdengan peningkatan beban tekan temyata nilai rapatjenisbakalan semakin mendekati rapat jenis teoritisnya. Padapenekanan dengan beban 20,2 ton/cm2, ternyata

persentase rapat jenis sebenarnya terhadap rapat jenisteoritis adalah yang tertinggi yaitu mencapai 95,19%.Menumt Lenel[2], semakin besar beban kompaksi makasemakin besar rapat jells bakalan, karena dengan seiringkenaikan beban kompaksi derajat deformasi elastismaupun plastis danjumlah pa1ahan bertambah. Denganbertambahnya derajat deformasi dan jumlah patahan,porositas bakalan berkurangkarena wang antar partikeldapat diisi oleh partikel-pariikel yang berdeformasi dan

juga patahannya.

2. Perhitungan Rapat jenis Bakahm RBM

Pada bagian ini dilakukan pergujian perbandingan

antara rapat jenis sebenamya daribakalan terhadap rapat

jenis teoritis. Perhitungan rapat jenis teoritis yaitu

dilakukan dengan menggunakan kaidah campuran, yaitu

= fmatriks .Pmatriks + fserbuk .Pserbuk (1)

Hasil perhitungan rapat jenis teoritis untuk setiapfraksi volume, dicantumkan pacta Tabel 3.

Tabel 3. Rapat jenis teoritis setiap fraksivolume serbuk MQP-O.

.Fraksi Volume, SerbUk

Pteoritis

Tabel 4. Hasil Pengukuran Kekerasan Bakalan.

I KekerasanII PermukaanI

Alas (HVN\ I

I 47,80 I

KomposisiBakalan

KekerasanPermukaan

Bawah (HVN)

45,42

KekerasanRata-rata

IHVN\

46,61

plcon!i, (gr.cm

275,(c 4.03

4.99_~

25%, 6,9 lon/cm

20,73

38,27

42,53

15,14

24,37

40,42

45,08

23,13

26,94

45,88

50,26

23,13

41,59

46,54

18,44

28,07

46,15

48,18

28,85

33,20

49,95

53.189

21,93

39,93

44,54

16,79

26,22

43,29

46,63

25,99

30,07

47,92

51.723

45%,6,9 ton/cm-

60%, 6,9 ton/cm2

280%,6,9 ton/cm

225%, 13,9 ton/cm

245%. 13,9 ton/cm

, 260%, 13,9 ton/cm:::.

-= _..280%, 13,9 ton/cm

225%,20,2 ton/cm

i .:_. 45%, 20,2 ton//cm

60%, 20,2 ton/cm

80%,20,2 ton/om

I 4~%:I ..:::~ "'60DA' "! OV"'lO,I 80%' , 6.27

Hasil perbandingan rapat jenis sebenarnyaterhadap rapat jenis teoritis seiring dengan penambahan{raksi volume serbuk MQP-O ditunjukkan pactaGambar 3., ternyata untuk peningkatan persentaseserbuk MQP-O lerjadi kenaikan rapat jenis sesuaidengan rapat jells teoritisnya. Terlihat pacta grafik dibawah ini, bahwa untuk persentase serbuk MQP-O 25%dengan beban tekan 6,9 ton/cm2 ternyata rapat jellssebenarnya melebihi rap at jenis teori, yaitu hampirmencapai nilai 120%. Hal ini antara lain disebabkankarena waktu pengeringan sebelum penekanan tidakcukup lama (waktunya kurang daTi 30 menit), sehinggapad a saat penekanan acta aliran matriks polimer yangkeluar daTi cetakan akibat adanya tekanan. Dengandemikian fraksi volume bahan pengikatnya kurang daTi25%, sehingga rapat jenis teoritis yaitusebesar 2,75 g/cm-; tidak berlaku.

3. Pengujian Kekerasan Bakalan

Pengukuran kekerasan pada bakalan dilakukanpada permukaan atas daD permukaan bawah. Nilaikekerasan sisi atas selalu lebih tinggi dibandingkan sisibawah.

~Ion ..Ion

6 Ion

80%

,

Gambar 3. Grafikperoandingan rapatjenis sebenarnya terhadaprapat jenis teoritis bakalan.

50

Pengaruh Komposisi danbeban Tekan Terhadap Karakteri.\"tik Rigit Bonded Magnet Nd-Fe-Bdengan bahan Pengikat Resin Epok,\"i (Margie Chri.\"tina)

2000

~i~m 1200

'i

ic

~! 400

-~

--25% 45% ~%

Dari Gambar 4, terlihat bahwa kekerasan bak<uanmeningkat dengan naiknya fraksi volume serbukMQP-O dan besarnya beban tekan. Pacta beban tetapnilai kekerasan bakalan meningkat denganbertambahnya fraksi volume MQP-O. Hal ini disebabkankarena serbuk MQP-O yang nilai kekerasannya lcbihtinggi daripada matriks polimer yang nilai kekerasannyarendah lebih dominan.

Kekerasan bakalan meningkat dengan semakintingginya beban penekanan, karena dengan semakintingginya beban maka interaksi yang terjadi antaramatriks polimer dan serbuk semakin besar. Deformasielastis dan plastis kedua-duanya terjadi selama tekanandiberikan. Salah satu akibat adanya deformasi plclstisselama kompaksi adalah peningkatan kekerasan mikrodari tiap partikel sebanding dengan besarnya tekanankompaksi. Meningkatnya kekerasan ini adalah akibatlangsung dari 'work hardening' karena deformasi

plastis.[3]Dari pengamatan grafik di alas, untuk komposisi

(fraksi volume 25%, 6,9 ton/cm2) ternyata kekerasalmyamencapai 45,42 -47,8 HVN, lebih tinggi dari fraksivolume 45% dengan beban yang sarna. Karena adanyaaliran matriks yang terdesak keluar sehingga fraksivolume matriks polimer tidak mencapai 75%, dengandemikian fraksi serbuk MQP-O lebih dominan.

3.4. Pengujian Kuat Medan Magnet Bakalan

Pengukuran kuat medan magnet dilakukan padakedua sisi bakalan, yaitu sisi alas (+) dan bawah (-)sebagai kedua buah kutub. Hasil pengujian ditampilkanpada Gambar 5 dan 6.

"0.

~"c..~c~~~:;

8..

ketika tercapai keadaan saturasi dan medan luar

dihilangkan.Pengaruh besar beban tekan terhadap kuat medan

magnet memiliki suatu kecenderungan untuk fraksivolume yang sarna dengan naiknya beban penekananmaka kuat medan magnet akan meningkat juga, Hal iniberhubungan dengan struktur mikro bakalan, bahwadengan semakin teratumya susunan serbuk MQP..odalan1 matriks rnaka kuat medan magnet sernakin tinggi(4J,Dari pengujian yang dilakukan temyata dengan naiknyabeban sampai beban 20,2 ton/cm2, susunan serbukdaiam MQP-O sen1akin teratur. Tetapi dapat dilihat dariGambar 5 dan 6 terdapat beberapa ketidaksesuaian,dimana pada kutub negatif pada fraksi volume serbukMQP-O 25%, 45% dan 60% kuat medan magnet denganbeban 6,9 ton/cm2 temyata lebih besar dibandingkanbeban 13,9 ton/cm2, Hal ini mungkin disebabkan :.Untuk (25% MQP..o, 6,9 ton/cm2) karena fraksi vol-

ume bahan pengikat non-magnet tidak mencapai75%

.Untuk (45% dan 60% MQP-O, 13,9 ton/cm2)permukaan bakalan yang dihasilkan tidak halus,adanya puncak dan lembah pada permukaanbakalan, yang menyebabkan magnetisasi tidakmerata.

Data perhitungan rapat jenis dan kuat medanmagnet per sampel terlihat pada Gambar 7, terlihat adanya

Dari kedua grafik tersebut dapat dilihat bahwakekuatan magnetik, B , maksimum untuk kedua kutubmencapai 1713,6 Gauss (80% MQP-O, be ban6,9 ton/cm2) dan -1521,6 Gauss (80% MQP-O, beban13,9 ton/cm2). Hal ini membuktikan bahwa peningkatannilai remanen akan sernakin besar dengan bertambahnyafraksi volume serbuk MQP-O. Dengan demikian hasiltersebut sesuai dengan definisi remanen yaitu momenmagnet yang tertinggal pacta material per unit vol lIme

, .

Gambar 7. Grafik perbandingan Kuat medan magnet terhadaprapat jenis per sampel.

51

Prosiding Seminar Nasional Bahan Magnet ISerpong, 11 Oktober 2000 ISSN 1411 -7630

kecenderungan dengan bertambah besamya rapatjenisbakalan maka nilai kuat medan magnet akan meningkatpula. Kenaikan rapatjenis bakalan berarti bertambahnyafraksi volume MQP-O, dengan demikianjumlah setbukMQP-O sebagai bahan yang bersifat magnetik semakinbanyak. Jika kondisi magnetisasi tiap sampel sarna,dengan makin banyaknya jumlah fraksi volume setbukMQP-O maka jumlah Setel@ proses magnetisasi induksiremanen yang tersimpan dalam tiap bakalan bertambahbesar.

5. Analisis Struktur Mikro

tekan akan meningkatkan kepadatan sampel sehinggarapatjenis yang dihasilkan tinggi.

Kekerasan mikro sampel ditentukan oleh duafaktor yaitu fraksi volume dan beban tekan. Sampel yangmemilik serbuk MQP-O lebih dominan dibandingkanrnatriks polimer memiliki kekerasan bakalan lebih tinggi.

Pacta fraksi volume konstan, kenaikan bebantekan mengakibatkan naiknya nilai kekerasan mikro. Halini disebabkan karena selama penekanan terjadiinteraksi antara serbuk-serbuk MQP-O daD serbukMQP-O dengan rnatriks, interaksi ini menyebabkanikatan adesif antara serbuk MQP-O dengan matrikssemakin kuat.

DaTi bahasan diatas maka untuk menghasilkanmagnet komposit yang kuat medan tinggi, harusdiperhatikan fraksi volume serbuk MQP-O. Jika fraksivolume seIbuk MQP-O, sarna maka kepadatan atau rapatjenis magnet komposit dipengaruhi oleh beban tekan,semakin tinggi beban tekan maka kuat medan magnetmakin besar.

Dari basil pengamatan rota mikro yang diperolehterlihat ada dua rasa yang dorninan, yaitu rasa serbukNd-Fe-B yang berwarna terang dan rasa matriks polimeryang berwarna gelap.

Pada fraksi volume 60% dan 80%, dimana partikel-

DAFTARPUSTAKA

Gambar 8. Fotomikro RBM fraksi volume MQP-O 25%, beban6,9 ton/cmz. Perbesaran 500K.

[1]. Permanent Magnets-The Global Road Ahead,Wheeler Associates-Permanent MagnetConsultant, 1995.

[2]. LENEL, F. V:, Powder Metallurgy Principles andApplications, (1985), p. 67-73.

[3]. GERMAN, R.M., Powder Metallurgy Science,Metal Powder Industries Federation, (1984), p.126-127.

[4]. CROAT, J.J; HERBST, J.F., Rapidly SolidifiedNeodymium-Iron-Boron Magnets, MRS Bulletin,Juni 1988.

Gambar 9. Fotomikro RBM fraksi volume MQP-O 25%, beban13,9 ton/cm2. Perbesaran 500x.

TANYA-JAWAB

Penanya : RukihatiPertanyaanSupaya dijelaskan variasi fraksi volume serbuk bahanmagnet dengan polimer evoksi.

Gambar 10. Fotomikro RBMfraksi volume MQP-O 25%, beban20,2 ton/om'. Perbesaran 50Qx. Jawaban

Fraksi volume Nd-Fe-B jumlah daTi serbuk Nd-Fe-Bpersatuan volume total komposit. Dalam penelitian inidipakai fraksi volume Nd-Fe-B (20%; 45% ; 60% dan80%), maka perhitungan yang dipakai adalah :

partikel serbuk Nd-Fe-B lebih dominan dibandingkankomposisi lainnya, akan bersifat brittle atau rapuh.Sementara untuk fraksi volume 25% dan 45% akanbersifat ductile atau ulet, mengiJ\uti sifatmatriks polimeryang dominan. Bila tekanan yang diberikan melebihibatas deformasi plastis maka partikel serbuk akan hancurmenjadi bagian yang lebih kecillagi.

M serbuk = 2 gram

20% = M serbuk

M serbuk +M po lim er

KESIMPULAN2gram

20'/.

Kuat medan magnet sampel ditentukan oleh rapat

jenis sampel, dengan bertambahnya rapat jenis sampelmaka fraksi volume serbuk MQP-O sebagai bahanyangbersifat magnetik bertambah besar. Kenaikan beban

2gram + Vpolimer x p polin!er

ppolimer konstanta

52