1
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Magnet merupakan bahan teknik sebagai bahan pendukung utama dalam peralatan elektronika, seperti magnet speaker, magnet permanen motor listrik, magnet permanen generator dan lain-lain. Kebutuhan magnet di Indonesia dari tahun ke tahun terus meningkat seiring meningkatnya kebutuhan peralatan elektronik bagi masyarakat. Pemenuhan kebutuhan komponen magnet permanen hingga saat ini masih bergantung dari produk impor seperti dari Jepang dan China (Sardjono dkk, 2012). Pemenuhan kebutuhan magnet diharapkan dapat dipenuhi dari produk lokal, di mana di Indonesia tersedia bahan baku magnet dalam jumlah yang sangat besar. Oleh karena itu penting adanya penelitian pengelolaan dan pemanfaatan bahan baku magnet lokal. Kebutuhan magnet dunia dari tahun ke tahun juga terus mengalami peningkatan. Pasar global magnet (Ferit, NdFeB, SmCo, Alnico) memiliki nilai sekitar $11 miliar pada tahun 2010. Pertumbuhan pasar magnet permanen diperkirakan mencapai 8,6% dari tahun 2013 hingga 2020, di tahun 2018 diperkirakan mencapai $18,8 miliar. Data laju pertumbuhan penjualan magnet dunia dapat dilihat pada Gambar 1.1 (Benecki, 2013), di mana magnet jenis ferit mendominasi 80% lebih produk magnet dunia. China merupakan negara produsen dan konsumen magnet terbesar dunia sedang di negara Asia Pasifik Indonesia berada di bawah India, Jepang dan Korea Selatan.
1
2
Gambar 1.1 Data penjualan magnet dunia diprediksi hingga tahun 2020 laju pertumbuhan mencapai 8,6% per tahun. (a) Magnet ferit mendominasi penjualan tertinggi (dalam ton) (b) Magnet neodymium (NdFeB) menempati penjualan tertinggi (dalam Dollar US), (Benecki, 2013).
Bahan baku magnet keramik adalah oksida besi, yang mana oksida besi dapat diperoleh dari oxide scales of hot roll steel (kerak oksida besi hasil samping rol baja panas) atau sumber oksida besi lainnya yaitu pasir besi. Indonesia memiliki sumber daya alam salah satunya berupa bahan tambang pasir besi. Pasir besi mengandung mineral oksida besi dan mineral ikutan lainnya dalam jumlah kecil. Penyebaran pasir besi di Indonesia terdapat di berbagai daerah, yang sebagian besar belum dieksplorasi. Pasir besi di Pulau Jawa tersebar di daerah Pantai Selatan, meliputi tiga provinsi yaitu Pantai Selatan Provinsi Jawa Timur, Jawa Tengah, dan Daerah Istimewa Yogyakarta. Deposit mineral pasir besi di Pantai Selatan Yogyakarta terbentang dari daerah Parangtritis di kabupaten Bantul, hingga Pantai Glagah di kabupaten Kulon Progo. Penambangan direncanakan mulai dari Sungai Progo hingga Sungai Bongowonto sepanjang 22 kilometer (Yunianto, 2009). Penyebaran deposit pasir besi di Indonesia dan pemetaan pasir besi di Kulon Progo Yogyakarta dapat dilihat pada Gambar 1.2.
3
Gambar 1.2 Penyebaran deposit pasir besi di Indonesia (Tekmira, 2011) dan gambar inset (a) peta Provinsi Daerah Istimewa Yogyakarta, (b) pemetaan potensi tambang pasir besi sebesar 33,6 juta ton di Kabupaten Kulonprogo DIY (Yunianto, 2009), dan (c) lokasi pengambilan sampel pasir besi di Kabupten Bantul DIY.
4
Deposit pasir besi diperkirakan mencapai sekitar 33,6 juta ton (Yunianto, 2009), untuk dijadikan pelet sebagai bahan baku indutri baja. Penambangan masuk ke arah daratan memasuki kawasan pemukiman sejauh 1,8 kilometer dan kedalaman 14,5 meter (Ansori dkk, 2011). Kegiatan tersebut mendapat tantangan dari warga setempat, karena lahan pantai menjadi rusak. Kerusakan tersebut antara lain hilangnya lahan pertanian warga sekitarnya dan hilangnya lahan konservasi berupa lahan pasir. Fungsi lahan pasir dapat menahan intrusi air laut ke daratan dan sebagai konservasi lingkungan hidup mahluk lainnya di sekitar pantai. Penambangan pasir besi secara besar-besaran dan pengelolaan bahan tambang yang merusak lingkungan tentunya harus dicegah. Penambangan pasir besi untuk indutri baja memiliki dampak nilai ekonomi yang kecil terhadap masyarakat sekitarnya, selain itu dapat menimbulkan kerusakan konservasi Pantai Selatan Yogyakarta. Pasir besi yang diolah menjadi bahan magnet tidak perlu dilakukan penambangan secara besar-besaran. Penambangan dapat dilakukan secara selektif. Pasir besi yang ditambang untuk bahan magnet jumlahnya jauh lebih sedikit jika dibandingkan untuk diolah menjadi baja. Selain itu, magnet memiliki nilai ekonomi yang jauh lebih tinggi jika dibandingkan baja. Pasir besi memiliki kandungan mineral magnetit (Fe3O4) dan hematit (Fe2O3) yang memiliki sifat suseptibilitas magnetik yang tinggi (Mufit dkk, 2006). Kandungan bahan magnetik yang tinggi tersebut memberikan harapan pemanfaatan pasir besi sebagai bahan magnet permanen. Dasar pemanfaatan tersebut maka pasir besi yang berasal dari Pantai Selatan Bantul Yogyakarta digunakan untuk bahan penelitian. Lokasi pengambilan pasir pantai di daerah
5
Pantai Samas Kabupaten Bantul Provinsi Daerah Istimewa Yogyakarta (lihat gambar inset (c) pada Gambar 1.2). Bahan baku magnet dengan ukuran nanometer dapat memberikan hasil produk dengan sifat magnetik yang sangat memuaskan. Bahan magnet berukuran nanometer digunakan untuk compact disk, hard disk drive, magnetic random access memory, pita magnetik (Janasi dkk, 2002; Uestuener dkk, 2006; Nowosielski dkk, 2007). Bahan magnet dengan ukuran butir yang kecil dapat meningkatkan sifat kekuatan magnet (Uestuener dkk, 2006). Perolehan bahan magnet berukuran nano dikenal dengan istilah magnetic nanoparticles (MNPs) diperoleh dengan cara reaksi kimia yaitu melalui proses sintesis (Dong dkk, 2009; Perdana dkk, 2011; Abhilash dkk, 2011). Proses sintesis yang umum untuk menghambat pertumbuhan butir adalah dengan pengadukan, akan tetapi ukuran butir yang dihasilkan masih terbatas. Beberapa metode sudah dikembangkan oleh para peneliti untuk memperoleh ukuran partikel yang lebih kecil lagi selama proses sintesis. Samikannu, (2011) telah membandingkan sintesis strontium heksaferit metode konvensional dengan sintesis berbantuan getaran dari gelombang microwave. Hasil penelitiannya menunjukkan sintesis dengan bantuan microwave menghasilkan ukuran partikel rata-rata yang lebih kecil. Strontium heksaferit adalah bahan baku untuk magnet permanen keramik jenis M-ferit. Teknik getaran tidak hanya diaplikasikan dalam proses sintesis bahan kimia akan tetapi juga diaplikasikan dalam bidang metalurgi. Getaran mekanis telah berhasil diaplikasikan dalam teknik pengecoran logam untuk memperhalus ukuran butir logam coran aluminium paduan. Getaran
6
mekanis diterapkan selama proses pembekuan. Ukuran butir semakin halus dengan meningkatnya getaran mekanis tersebut dan selain itu cacat-cacat pengecoran dapat dikurangi, sehingga kekuatannyapun meningkat. Getaran mekanis dihasilkan dari gerakan osilasi dari gaya sentrifugal bola baja dalam ruangan
melingkar
menggunakan
tekanan
udara
(Omura
dkk,
2009).
Balasubramanian dkk (2011), telah melaporkan metode peningkatan kualitas kekuatan lasan aluminium paduan tinggi dibantu getaran mekanis. Getaran mekanis yang diterapkan selama proses pengelasan dapat menghasilkan struktur butir lebih halus lagi pada logam las. Alat getaran mekanis dibangkitkan dari piezo electric transducer sehingga dapat menghasilkan getaran mekanis dari 100 Hz hingga 3000 Hz. Metode getaran mekanis yang telah dikembangkan oleh peneliti terdahulu menjadi acuan/inspirasi/gagasan dalam penelitian ini. Gagasan tersebut adalah dengan menerapkan getaran mekanis dalam proses sintesis magnetit sebagai bahan magnet permanen. Selama proses sintesis frekuensi getaran divariasikan untuk mengetahui sejauh mana pengaruhnya terhadap ukuran partikel magnetit yang dihasilkan. Ukuran partikel magnetit diharapkan dapat dikontrol oleh frekuensi getaran mekanis selama proses sintesis berlangsung. Harapannya, bahan baku magnet berukuran nanometer dapat menghasilkan magnet permanen sesuai yang distandarkan oleh Magnetic Materials Producers Association (MMPA). Teknik umum pembuatan bahan magnet permanen adalah dengan mencampurkan oksida besi dalam hal ini mineral hematit dan barium karbonat pada suhu tinggi. Barium karbonat dengan unsur penyusun kalsium (kapur/calc),
7
melibatkan proses kalsiumisasi dalam reaksi kimianya dinamakan dengan calcination (kalsinasi). Mineral hematit dapat diperoleh dari mineral magnetit melalui proses oksidasi. Reaksi oksidasi melibatkan unsur oksigen dan juga suhu. Oleh karena itu suhu oksidasi terhadap magnetit berpengaruh terhadap hematit yang terbentuk. Pengaruh suhu oksidasi divariasikan untuk mengetahui pengaruhnya terhadap sifat kemagnetan dari hasil oksidasi tersebut. Suhu oksidasi magnetit tersebut menjadi rute penelitian untuk memperoleh hematit. Yulianto dkk (2003) telah melakukan penelitian produksi hematit dari pasir besi pesisir Pantai Utara Jawa Tengah. Metode yang digunakan dengan menghaluskan pasir besi secara fisik hingga berukuran < 150 µm. Proses oksidasi dilakukan pada suhu 500, 600 dan 700 oC selama 15 jam dengan untuk mendapatkan hematit secara langsung dari oksidasi pasir besi tersebut. Tahapan pembuatan magnet permanen adalah pembentukan bahan padat magnet dari bahan serbuk dengan teknik metalurgi serbuk meliputi teknik kompaksi dan sinter. Bahan serbuk magnet hasil kalsinasi dibentuk menjadi padatan (green compact) berbentuk silinder dan batang dengan uniaxial pressure. Green compact kemudian disinter pada suhu tinggi, di mana suhu sinter menyebabkan terjadinya perubahan sifat kemagnetan (Bhuiyan dkk, 2010; Huang dkk, 2011). Oleh karena itu, dalam penelitian ini suhu sinter divariasikan untuk mendapat kondisi optimum dari produk sinter tersebut. Penelitian ini berbeda dengan yang telah dilakukan Yulianto (2007). Yulianto (2007) telah melakukan penelitian pembuatan magnet permanen dari pasir besi. Magnetit diperoleh dari hasil ekstraksi pasir besi melalui proses penggilingan dan penyaringan. Magnetit
8
dioksidasi pada suhu 300 oC menghasilkan maghemit dan 800 oC menghasilkan campuran oksida besi dan hematit. Masing-masing pada suhu tersebut dilanjutkan dengan proses kalsinasi. Kalsinasi dengan mencampurkan hasil oksida tersebut dan BaCO3 pada suhu 1200 ºC selama 3 jam. Sifat kemagnetan dapat berubah dengan adanya unsur aditif pada bahan serbuk magnet. Bahan aditif ditambahkan dalam jumlah kecil dengan tujuan sebagai grain refiner. Grain refiner dapat memperbaiki sifat kemagnetan maupun sifat mekanis dari bahan magnet (Babu dan Padaikathan, 2002). Magnet permanen dalam penggunaannya harus mempunyai kekuatan dalam menerima beban bahkan juga mempunyai sifat ketangguhan terhadap retakan. Salah satu bahan penguat yang dapat meningkatkan ketangguhan retak adalah bahan zirkonia (Roebben, dkk, 2003). Zirkonia yang distabilkan dengan senyawa yitria (Y2O3) dikenal dengan yttria-stabilized tetragonal zirconia polycrystals (Y–TZP). Y–TZP adalah bahan keramik yang paling banyak digunakan karena sifat mekanik yang sangat baik, seperti kekerasan, kekuatan, dan ketangguhan retak (Elshazly dkk, 2008). Bahan zirkonia dalam klasifikasi kemagnetan digolongkan memiliki sifat diamagnetik. Sifat diamagnetik adalah suatu bahan yang tidak dapat dipengaruhi medan magnet. Bahan ini mempunyai resultan medan magnet atomik masingmasing atom atau molekul sama dengan nol. Sifat bahan diamagnetik bila diletakkan dalam medan magnet akan mengakibatkan jumlah fluks magnet di dalam bahan tersebut akan berkurang. Hal ini karena fluks magnet bahan ditolak oleh fluks magnet luar. Bahan diamagnetik ini apabila ditambahkan ke dalam bahan feromagnetik dapat mengakibatkan penurunan sifat feromagnetiknya.
9
Medan magnet yang dihasilkan bahan feromagnetik akan berkurang karena adanya bahan diamagnetik yang menyebabkan fluks magnetiknya tertahan. Keterbaruan penelitian ini dengan berdasarkan uraian di atas dan sejauh informasi yang penulis ketahui, maka dapat disampaikan bahwa penelitian di bidang partikel nano magnetit dari pasir besi masih terbuka luas. Keterbaruan dari penelitian ini adalah pasir besi dari Pantai Selatan Yogyakarta belum pernah diteliti oleh peneliti lain baik untuk diolah menjadi nanopartikel magnetit maupun diolah menjadi magnet permanen. Teknik getaran mekanik adalah teknik yang belum diterapkan oleh peneliti lain dalam sintesis nanopartikel magnetit. Seberapa besar penambahan zirkonia terhadap hasil kalsinasi barium heksaferit, dapat menurunkan sifat feromagnetik dan meningkatan ketangguhan retaknya, belum pernah diteliti dan dilaporkan. Salah satu uji sifat mekanis adalah ketangguhan retak dengan menggunakan metode ball on three balls (B3B), dikenal dengan metode B3B-KIc merupakan metode terkini untuk menentukan nilai intensitas tegangan. 1.2 Perumusan Masalah Beberapa permasalahan yang harus dirumuskan supaya penelitian ini terlaksana dengan baik. Pasir besi dapat disintesis untuk mendapatkan megnetit. Beberapa metode telah dikembangkan untuk mendapat magnetit dengan berbagai ukuran partikel nano, untuk itu dikembangkan metode lain yaitu getaran mekanis yang diterapkan pada proses sintesis magnetit. Bahan magnet berupa barium heksaferit merupakan hasil kalsinasi hematit yang dicampur dengan barium karbonat. Hematit dapat diperoleh melalui oksidasi magnetit, untuk itu perlu
10
ditentukan suhu oksidasi yang optimum untuk memperoleh hematit. Pembentukan bahan padat barium heksaferit sebagai magnet permanen melalui proses kompaksi dan sinter perlu diteliti lebih lanjut, berapa suhu sinter yang optimum terhadap sifat kemagnetan dan sifat mekanisnya. Bahan aditif dapat ditambahkan pada barium heksaferit untuk memperbaiki sifat kemagnetan dan sifat mekanis. Zirkonia menjadi alternatif bahan aditif karena sifatnya dapat memperbaiki ketangguhan retak. Untuk itu perlu diteliti pengaruh penambahan zirkonia tehadap sifat kemagnetan dan ketangguhan retaknya. Salah satu aplikasi magnet permanen adalah untuk generator. Untuk itu dibuat prototipe generator dengan menggunakan magnet permanen yang berasal dari pasir besi dan diukur kinerjanya dari generator tersebut. 1.3 Batasan Masalah Agar penelitian dapat terlaksana dengan baik, perlu adanya batasan masalah. Batasan masalah dibagi menjadi lima bagian dalam pelaksanaan penelitian ini, yaitu: 1.
Pasir besi dari Pantai Selatan Yogyakarta yang telah diambil dan dipisahkan menggunakan magnet permanen selanjutnya dihaluskan menggunakan ball mill dan disaring hingga konsentrat lolos ukuran 74 µm. Konsentrat dilarutkan menggunakan HCl. Hasil larutan disintesis dengan NH4OH dibantu dengan getaran mekanik dengan variasi frekuensi 0, 50, 100, 200, dan 500 Hz. Karakterisasi hasil kalsinasi meliputi uji kemagnetan menggunakan Vibrating Sample Magnetometer (VSM) dengan karakteristik kemagnetan meliputi saturation magnetization (Ms), remanent magnetization (Mr),
11
coercivity
(Hc) dan maximum energy product (BH(max)), pengamatan
partikel menggunakan Transmission Electron Microscope (TEM), dan fase kristal diidentifikasi menggunakan X-ray Diffraction (XRD). 2.
Hasil sintesis (serbuk magnetit) dioksidasi dengan variasi suhu 700, 900, 1100 °C selama 5 jam untuk mendapatkan hematit. Magnetit dan hasil oksida masing-masing dicampur barium karbonat selanjutnya dikalsinasi pada suhu 1100 °C selama 2 jam. Hasil kalsinasi kemudian dipadatkan dan disinter pada suhu 1100 °C selama 1 jam. Magnetit, hematit hasil oksidasi, dan hasil sinter dikarakterisasi menggunakan VSM dan XRD.
3.
Hasil pengujian pada penentuan suhu optimum oksidasi magnetit menjadi rute penelitian berikutnya. Magnetit hasil sintesis dengan variasi frekuensi getaran mekanis dioksidasi pada suhu optimum. Hematit yang diperoleh dikalsinasi dengan kondisi yang sama. Hasil kalsinasi dipadatkan dengan tekanan 30 MPa dan masing-masing disinter dengan variasi suhu 800, 900, 1000, 1100, dan 1200 °C selama 1 jam. Karakterisasi hasil sinter meliputi uji VSM, XRD, SEM, kekerasan, three-point bending, dan densitas.
4.
Upaya peningkatan sifat mekanis bahan magnet khususnya ketangguhan retak dilakukan dengan penambahan zirkonia dengan variasi sebesar 0, 1, 2, 3, dan 5% berat. Green compact hasil campuran tersebut disinter pada suhu optimum dari hasil penelitian sebelumnya. Karakterisasi hasil sinter meliputi uji VSM, XRD, densitas, dan SEM. Pengujian sifat mekanis meliputi uji kekerasan Vickers, three-point bending, dan pengujian fracture toughness.
12
Pengujian fracture toughness menggunakan metode B3B dengan menentukan nilai biaxial strength (σB3B). Metode ini dikenal dengan metode B3B-KIc. 5.
Bahan magnet dengan nilai kemagnetan terbesar diaplikasikan untuk pembuatan prototipe generator magnet permanen.
1.4 Tujuan Penelitian Supaya penelitian dapat menghasilkan sesuatu yang bermanfaat dan berhasil guna harus memiliki tujuan yang jelas dan terarah. Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini antara lain: 1. Mengetahui kelayakan pasir besi dari Pantai Selatan Yogyakarta untuk disintesis menjadi magnetit berukuran nanometer. 2. Mengetahui pengaruh frekuensi getaran mekanis terhadap ukuran partikel magnetit yang disintesis dari pasir besi. 3. Mengetahui pengaruh suhu oksidasi magnetit terhadap hasil kalsinasi dan sinter bahan magnet permanen. 4. Mengetahui pengaruh suhu sinter terhadap sifat kemagnetan dan sifat mekanis pada proses pembuatan magnet permanen dari bahan pasir besi. 5. Mengetahui pengaruh penambahan zirkonia pada bahan magnet permanen terhadap sifat kemagnetan dan sifat mekanis. 6. Mengetahui apakah pasir besi dari pantai Selatan Bantul Yogyakarta dapat diproses sebagai bahan baku magnet permanen jenis magnet ferit yang sesuai dengan standar internasional.
13
1.5 Manfaat Penelitian Indonesia sebagai negara industri berkembang khususnya bidang elektronik membutuhkan inovasi-inovasi baru dalam memenuhi kebutuhan komponen. Peningkatkan nilai tambah dari produk elektronik dapat dihasilkan dari produk komponen buatan dalam negeri dengan bahan baku lokal, sebagai peningkatan kearifan lokal dalam penggunaan sumber daya alam. Keberhasilan penelitian ini diharapkan dapat membuat bahan baku magnet dari bahan dasar lokal, sehingga dapat mengurangi ketergantungan terhadap bahan impor. Pemanfaatan pasir besi sebagai bahan magnet dapat meningkatkan kearifan lokal dalam pemberdayaan sumber alam dengan swakelola bersama masyarakat di sekitarnya. Sehingga dapat membuka peluang usaha dan lapangan kerja baru. Manfaat yang diperoleh dari penelitian antara lain: 1.
Dapat melakukan proses pengolahan pasir besi lokal menjadi bahan baku magnet menjadi magnet permanen dan mengetahui karakteristiknya.
2.
Diharapkan penggunaan sumber daya alam lokal dapat mengangkat daya saing bangsa dan pengembangan kearifan lokal, serta untuk mengurangi ketergantungan terhadap impor bahan baku magnet ferit.
3.
Diharapkan dapat memunculkan industri lokal yang dapat mengelola bahan baku magnet menjadi magnet permanen dari bahan sumber daya alam lokal.
4.
Dapat menjadi inspirator pengembangan dan penguasaan teknologi pengolahan bahan magnet dan pembuatan magnet permanen secara mandiri.
