MagnetPermanen BerbasisNd-Fe-B (Azwar Manaj)
MAGNET PERMANEN BERBASIS Nd-Fe-B Azwar MaDar Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan IImu PengetahuanAlam, Universitas Indonesia Kampus UI-Depok 16424 e-mail: azwar(@maill.makara.cso.ui.ac.id
ABSTRAK MAGNET PERMAN EN BERBASIS Nd-Fe-B. Kekuatan magnet permanen Nd-Fe-B terletak pada tasa mllgnetik Nd2Fe14Byang ditemukan oleh dua kelompok peneliti berbedadi tahun 1984. Kedua-duanya menggunakan dua proses berbedll yaitu masing-masing proses konvensional powder metallurgy dan rapid solidification untuk pembuatan magnet permanen Nd-Fe-B. Kedua prosesmemiliki kelemllhan dan kelebihan ~atusarnalain meskipun kedua proses menghasilkan magnet permanen dengan sit"at-sit'atkemagnetanyang terbandingkan. Oleh karena itu pula kedua produk proses berbeda tsb dipakai secaraluas dan bersaing oleh industri. Pada paper ini dilakukan tinjauan umum kedua proses terutama kaitan antara mikrostruktur magnet yang berkembang daTimasing-masing proses terhadap sit"at-sit"atkemagnetannya. Dibicarakan pula beberapa inovasi proses lllnjut yang dikembangkan oleh para peneliti dalam usaha peningkatan kualitas sifat-sifat kemagnetan serta beberapa hasil penelitian yang dikembangkan oleh peneliti material magnetik di Universitas Indonesia tentang hibridisasi magnet permanen logam tanah
jarang. Kata Kunci ..Magnet pennanen, powder metallurgy, rapid solidification, mikrostruktur magnet, sifat magnet
ABSTRACT Nd-Fe-B BASED PERMANENT MAGNETS. The strength ofNd-Fe-B based permanent magnets is derived from an intermetallic phase Nd2Fe14Bdiscovered by two different researchgroups in 1984. In principle, there are two major processing routes for the production of magnets of this phase respectively Powder Metallurgy and Rapid Solidification. The magnetic property derived from both is in principle comparable. However, the characteristic of the two processes is entirely difterent. Both processingtechniques are widely employed by magnet industries. In this paper,the two techniques are briefly reviewed and extended descriptions will be given on the relationship between microstructure development of the magnets and their magnetic property. The paper is also to discuss some other development of further improvement on production of magnets in order to improve the properties. Some research resultsmade by researcherof the magnetic group at University of Indonesia on hibride rare earth magnetsare also highlighted. Key Word: Permanent magnets, powder metallurgy, rapid solidification, microstrukture, magnetic property
PENDAHULUAN Suatu magnet permanen harus mampu menghasilkan densitas fluks, B magnetyang tinggi daTi suatuvolume magnet tertentu, stabilitas magnetik yang baik terhadap efek temperatur dan waktu, serta menuliki ketahananyang tinggi terhadappengaruh demagnetisasi. Pacta prinsipnya, suatu magnet permanen haruslah memiliki karakteristik minimal dengansifat kemagnetan remanen,B, dankoersivitas intrinsik,;Hc sertatemperatur Curie, T c yang tinggi. Dalam 100 tahun belakangan, berbagai kelas magnet permanentelah dikembangkan oleh para peneliti. Di awal abad 19baja martensitdigunakan sebagaimagnet permanen. Dengan kandungan Co -30 sid 40 % dapat dihasilkan magnet permanen dengan B, -0,90 T dan (BH) ~ 7,6 kJ.m-3[I]. Magnet baja martensit dengan mIX kandungan cobalt ini merupakan magnet terbaik pacta masa tsb. Namun dalam beberapa puluh tahun belakangan,telah teIjadi perkembanganyang pesatdalam
penelitian dibidang magnet pemlanen sehinggasejumlah fasa magnetik barn dengan energi yang lebih tinggi telah ditemukan. Magnet Alnico misalnya, pertama sekali diperkenalkan pada tahun 1930-an, terdiri dati sejumlah elemenlogam transisi (Fe,Co, Ni) memi~i nilai (BH)max dua kali lipat magnet baja. Pada tahun 1950-an, dikembangkan magnet pemlanen kelas keramik dengan formula MO(Fe2OJ6 dimana M adalah Barium atau Stronsiumyang kemudian dikenal sebagaimagnetferrite. Bila dibandingkan dengan magnet alnico, magnetferrite memiliki energi daD remanen yang lebih rendah tetapi memiliki koersivitas yang jauh lebih tinggi. (lihat GambarI). Perkembangan dramatis dibidang magnet permanen terjadi pada tahun 1970-an. Untuk pertama sekali ditemukan magnetkelas logam tanahjarang (rare earth permanent magnets). Fasa magnetik SmCos daD Sm2Col7merupakanfasa magnetikyang penting dati fasa5
r~o:.
ProsidingSeminarNasional Bahan Magnet I Serpong,11 Oktober2000
ISSN1411-7630 tinjauan umum dua prosesutama masing-masing Powder Metallurgy dan Rapid Solidification yang digunakan secaraluas untuk pembuatan magnet permanen Nd-FeB dan kaitan antara mikrostruktur magnet yang berkembang daTi masing-masing proses terhadap sifatsifat kemagnetannya.
SIFAT KEMAGNETAN MAGNETIK
INTRINSIK FASA
Nd2Fe14B
Polarisasi total rasa Nd2Fe14B
.
rasa RE-Co (RE = rare earth elemens) yang mungkin. Kedua rasa magnetik tsb memiliki polarisasi total, J. dan medan anisotropi, HA yang sangat tinggi sehingga berpeluangmemiliki remanendan koersivitasyang tinggi, sebagaikeharusanuntuk mendapatkanmagnetpermanen dengan nilai (BH)maxyang tinggi (lihat Tabell tentang sifat kemagnetan intrinsik rasa-rasa magnetik magnet permanen [2]). Eksploitasi magnetkelas ini mengalami kesulitan dikarenakan harga Co yang sangatmahal serta ketersediaan unsur Sm yang terbatas di bumi sehingga popularitas magnet ini pactakalangan industri pemakai menjadi menurun. Namun ditahun 1980-an, ditemukan magnet permanen logam tanahjarang baru berbasisrasa magnetik RE2Fe14B yang ditemukan oleh dua kelompok peneliti berbeda masing-masing kelompok peneliti dari Sumitomo Special Metals [3] dan General Motors [4]. Hasil obseIVasikritis yang dilakukan oleh Livingston [5] sebagaimanayang dapat dilihat pacta Gambar 2 bahwa semuaunsur RE dapat membentuk rasa RE2Fe14B tetapi dari sederetanrasa magnetik yang mungkin dari kelas ini, rasaNdfe14B yang sangatberpeluanguntuk memiliki energiyang paling tinggi. Pactapaperini dl"bicarakanlebih jauh tentang sifat intrinsik rasa magnetik Ndle14B serta 1.7.,',. ,., I , I ..
Polarisasi total J daTi suatu rasa didefinisikan sebagaijumlah total momen magnet atom-atom yang terdapat didalam rasa magnetik peronit volume. Fasa Nd2Fel4Bmelniliki struktur kristai simetri tetragonal dan sel ini ditunjukkan pada Gambar 3. Sel tersusun daTi 4 buah sel unit Nd2Fe14B denganjumlah atom total yang actapada seladalah 68 buah terdistribusi masing-masing 8 buah atom Nd, 56 buah atom Fe daD 4 buah atom B. Herbst daD Yelon [6J telah melakukan analisis stroktur kristal rasa tsb dengan XRD daD difraksi neutron. Berdasarkan analisis tsb diketahui bahwa konstanta kisi kristal rasaadalaha= 8,803 Adanc = 12,196A. Dengan delnikian volume sel rasa dapat mudah dihitung yaitu V = a2xc= 945,2 A3.
1«
.".0".
I~ IA
.&
Gambar 3. Struktur kristal t'asa NdzFcuB
..rw'
.i
1.1, I
Analisis neutron yang dilakukan oleh Herbs dan Yelonjuga berhasil menentukanmomen magnet per atom rasa Nd2Fe14Bdimana diketahui bahwa jumlah total momen magnet atom adalah 32,1 ~B' Besaran-besaran intrinsik yang diperoleh dari analisis XRD dan difraksi neutron memungkinkan penentuanmagnetisasi total, M, rasa Nd2Fel4B secara teoritik yaitu sesuai dengan
:
IJ Et.~r
..
-:1'1.0
.0.9
0.8 07
persamaan 1 :
0.6 0.5 0.4
...
.
I f'~t.j/,: ~F;;~t;ta1'5d;It[; $w1!8 .
Garnbar1. Magnetisasitotal t'asamagnetik RE,Fe1.B [5]
6
c~ I,()"'12°" k,0'. k2e..
M,= ~tOta1/V
(1)
~tota1 adalah jumlah momen magnet atom per sel satuan fasaNdfe14Byaitu32,1 ~(1 ~ = 9,273 X 10-24 J/f)dan V
,Yagnet Perman en BerhtL\'i.\'Nd-Fe-B (Azwar Manaf)
adalah volume sel Nd2Fe14Byaitu 945,2 x 10-2,m'. Oleh karena didalam sel terdapat 4 buah sel satuan Nd2Fe14B maka maO1.1etisasi total " M rasa Nd 2Fe 14B adalah M, = (4 0' x32,1 x 9,273x 10-24 JfI)/945,2 x W-2'm' = 1,26x 106Nm. Dengan demikan polarisasi total rasaNd2Fel4Badalah J, = l.LoM,= (47tx 10-7H.m-1)x 1,26 x 106A.m-1= 1,583 T. Hasi1pengukuran polarisasitotal dari kristal tunggal rasa Nd2Fe14Bsesuai dengan nilai teoritik ini sebagaimana terlihat pactaGambar 2. Polarisasitotal mempakan sifat kemagnetanyang penting dalam magnet permanen karena secara ideal remanendari magnet permanen sarna dengan polarisasi total. Secara ekstrinsik, nilai remanen se1alulebih kecil dari polarisasi total. Medan anisotropi (anisotropy field) rasa N~FeI4B Anisotropi magnet dapat muncul dari berbagai sebabseperti bentuk magnet, struktur krista!, efek stress dish. Kebanyakan material feromagnet memiliki anisotropi kristal disebut "magnetocrystalline anisotropy"dirnanakristal merniliki arab magnetisasiyang disukai daD disebut sebagai arab mudah. Arah ini umumnya searah dengan sumbu mudah kristal dimana padakeadaanstabilarab momen magnetataumagnetisasi kristal sarnadenganarab surnbumudah. Padakonfigurasi keadaan stabil ini, energi total dalam magnet ada.lah minimum. Sumbu krista! yang lain disebut sumbukeras dimana pemagnetanpada arab ini meningkatkan energi kristal karena diperlukan suatu energi untuk mengubah arab vektor rnagnetisasi yang tadinya searah dengan sumbu mudah. Energi yang diperlukan untuk mengarahkan arab momen magnet menjauhi sumbu mudahnya disebut magneto crystalline energy alan anisotropy energy, EA.Untukkristal; dengansatu sumbu mudah seperti Nd2FeI4B,besamya EA diberikan oleh persanlaan2. EA(8)=LKnsin2n8
sebelumnya,nilai HAuntuk rasaN~FeI4B dihitung melalui persamaan3 adalah : HA= (2x4,5 + 4 x 0,66) X 106J/1,583 T = 6520kA.m-1 Untuk material polikristal, nilai HAbisa diukur secara eksperimen menggunakan teknik yang dikembangkan oleh Asti dkk [9] dan Grossingerdkk [10] yang dikenal sebagaiteknik Single Point Detection(SPD). Teknik SPD ini menggunakanpulsa medan magnetuntuk menghasilkan medan magnet yang sangat tinggi dalanl proses magnetisasi. Besaran yang dijadikan sebagai indikator adalah d2MJd2Hyang diplot sebagaifungsi H. Singularitas akan terlihat pactawaktu medan magnetisasi H sarna dengan medan anisotropi HA. Produk energi maksimum (BB)max (BH)maxmerupakan sifat yang paling utama dari suatu magnet permanen menunjukkan energi persatuan volume magnet yang dipertahankan dida.lam magnet. Besaranini diturul1kan daTikurva kuadran kedua (kurva demagnetisasi) daTi loop histeresis sehingga diperoleh kurva (BH) yaitu perkalian antaraB dan H sebagaifungsi H. Jadi kurva (BH) sebagaifungsi H tsb tidak lain adalah temp at kedudukan titik-titikluasan dibawah kurva demagnetisasi.Secaraskenuuik, penentUailkurva (BH ) daTikurva demagnetisasi ditunjukkan pada Gambar 4. Sepertiterlihat padagambar 4,kurva (BH) memiliki suatu nilai tertinggi sebagai fungsi H dan nilai inilah yang dikenal sebagaiproduk energi maksimum.
(2)
dimana 8 adalah sudut antara vektor magnetisasi total dan sumbu mudah. K1.. .Kndisebutkonstanta anisotropi yang diukur dalam J.m-3.Medan anisotropi, HAberkaitan dengankonstanta anisotropi daDpolarisasi total. U ntuk suatu partikel magnetik berdomain tunggal, nilai HA dinyatakanolehpersamaan 3 [6]: HA= (2K1+4~) / J,
nilai K1 = 4,5 MJ.m.3 daD K2 = 0,66 MJ.m-3[7]. Makcl dengan mengambil nilai J, = 1,583 T yang telah dihitung
1-1
Gambar4. Kurva (BH) diturunkan dari kuadran kedua loop histerisis
(3)
Secara fisis, persamaan 3 tsb menunjukkan besarnya medannlagnet luarH yang diperlukan untuk mengarahkan vektor magnetisasi kristal searah dengan arab sumbu keras. Untuk kasuspartikel magnetik berdornaintunggal, nilai HAtsb mernpakan batasataskoersivitas karenapada medan H = -HA pembalikan vektor magnetisasibarn bisa terjadi [7]. Dengan perkataan lain, makin besar nilai H A dari suatu rasa magnetik, makin besar koersivitas dari magnet. Jelaslah,medananisotropi mernpakan salah satu sifat intrinsik. Dari basil pengukurankonstantaanisotropi orde I dan 2 kristal tunggal rasa Nd2Fe14B,diperoleh
Nilai intrinsik daTi(BH)maxdapat dihitung secara mudah dengan menggunakan persamaan produk energi (BH) dinyatakan seperti persamaan4. (BH)=l-I.oH2+JH
(4)
Persamaan 4 adalah suatu persamaan kuadrat sehinggaplot antarakurva (BH) dan H mengambil bentuk parabola seperti ditunjukkan pada Gambar 4. Nilai maksimum dari kurva (BH) tsb ditentukan oleh syarat 8(BH)/ 8H = 0, yaitu :
7
Prosiding SeminarNasional Bahan Magnet I Serpong,11 Oktober2000
ISSN 1411-7630
8(BH)/ aH=2f.lo H+ Y==0 sehingga diperoleh persamaan5. Hc=-J,/2f.lo
(5)
dimana Hc adalah medan magnet demagnetisasi kritis yaitu nilai H yang memberikan nilai (BH) mencapainilai maksimumnya daD nilai J telah digantikan dengan J, dengan asumsibahwa loop histeresis mengambil bentuk ideal berupa kotak seperti ditunjukkan pactaGambar 5. Jadi dengan mensubsitusikan H pacta persamaan 4 dengan H = Hcdari persamaan5 diperoleh persamaan6. (BH)max = J,2/ 4f.lo ~
(6)
NM-
Gambar 5. Perbandingan ;~. k"~ unjuk
~kerja
tiga jenis
magnet
permanenberbeda
Pembacahams hati-hati dalam menginterpretasi persamaan 6 karena persamaan tsb seolah-olah tidak membedakan antara loop histeresis yang "gemuk" clan yang "kurus" yaitu seolah-olah nilai (BH)maxhanya ditentukan oleh J. daTi suatu material magnet. Sebagai ilustrasi misalnya diambil bahan feromagnet Fe yang diketahui memiliki J. = 2,2 T. Berdasarkanpersamaan6, Fememilikinilai (BH)max sebesar963 kJ.m-3.Namunhasil pengukuran menunjukkan bahwa (BH)maxdaTi Fe mendekati nolo Dleh karena itu persamaan6 tsb hanya berlaku untuk materialyang memiliki suatuloop histeresis magnetpermanenyang ideal. Melalui persamaan6, maka denganmudah nilai intrinsik (BH)maxdari rasamagnetik Nd2Fel4Bdapat ditentukan dengan mengambil nilai J. = 1,583T.lni memberikan:
pula jumlah energi yang tersedia. Pada Gambar 5, diberikan suatuilustrdsi perbandingan kemarnpuankerja daTitiga kelas magnetpemlanen dengan(BH) berbeda. Perhatikan bahwa dalam ilustrasi tsb ketiga j~7tis mallet menliliki ukuran yang sarna. Mudahlah dimengerti daTi ilustrasi tsb bahwa hila didalam suatu produk teknologi diperlukan magnet permanen dengan energi setara dengan yang dimiliki magnet ferrite maka hila diterapkan magnet permanen Nd-Fe-B, volume magnet yang diperlukan dapatdiperkecil. Dengan perkataanlain, penggunaan magnet permanen dengan produk energi yang tinggi sangat sesuai dengan usaha miniaturisasi suatu produk ~eknologi. Sejak ditemukan rasa magnetik Nd2Fe14Bpada tahun 1983,telah banyakpenelitian yang dilakukan untuk mencapai nilai intrinsik tsb. Berbagai usaha teknik preparasi telah dikembangkan daD disain mikrostruktur dioptimalkan. Narnunnilai (BH)maxdarimagnetpemlanen Nd-Fe-B tertinggi yang pernah dicapai pada skala laboratorium baru mencapai-400 kJ.m-3[12] yaitu kirakira 78 % daTi nilai intrinsiknya. Jelaslah, penelitian tentang magnetNd-Fe-B masih terus berlanjut meskipun pada saa ini magnet pennanenkelas ini telahdiproduksi secarakomersial. Padabagian bagian terdahulu telah dibicarakan detil tentang beberapa sifat kemagnetan utama daTi magnetpennanenmencakuptemperatur Curie, remanen, polarisasi total, koersivitas,medan anisotropi dan produk energi nlaksimum. Semua sifat kemagnetan dasar ini memiliki nilai intrinsiknya yang dengan mudah dapat dihitung dengan bantuan beberapabesaran-besaranfisis daTi rasamagnetik. Pada Tabell berikut ini dicantumkan beberapanilai intrinsik utama yang dihitung dengancara yang sarna seperti dibicarakan terdahulu untuk berbagai rasamagnetikdari berbagaikelas magnet permanen. Tabel I. Sit'at kemagnetanintrinsik rasamagnetikdari magnet permanen
Jelas terlihat rasa magnetik Nd2Fe14Bmemiliki beberapakeunggulan terutama pada polarisasi total dan produk energi maksimum yang sangatdiperlukan untuk
mendapatkanmagnetpermanendengan unjuk kerja yang baik. Disanlping itu magnet permanenberbasis Nd-Fe-B max menggunakanbahan dasarFe dengan fraksi atom sekitar Nilai (BH)maxsuatu mallet pennanen dinyatakan 82 %. Diketahui bahan bahan dasar Fe cukup mudah didalam sat~an J.m-3,menjadi parameter penting oleh diperoleh dan tersedia melimpah dibumi dan dengan karena nilai tsb berbanding terbalik dengan volume harga yangrelatip murah. Dengan temperatur Curie yang magnet.Dengan perkataanlain makin besarnilai (BH)max' tidak terla1urendah -312 °C dan nilai (BH)max yang tinggi makin besar pula energi yang terdapat didalam suatu serta bahan dasar yang mudah diperoleh menyebakan volume magnet. Makin besar volume tsb makin besar magnet permanenjenis ill menjadi sangat menarik dan (BH)
R
= (1,583 T)2/ 4 X 4nx 10.7H.m-! = 5l2kJ.m.3
Magnet Permanen BerbasLf Nd-Fe-B (Azwar Manaf) berpeluang mendapatkanpasaryang besar menggaIltikan magnet permanen kelas terdahulu seperti ferrite daD
Sm-Co.
PROSES FABRIKASI MAGNET PERMANEN Nd-Fe-B Proses Po\vder Met~tllurgy Proses Powder Metallurgy (PM) merupakan proses konvensional yang utama digunakan dalam pembuatan magnet pennanen pada skala industri. Baik magnetkeramik ferrite maupunlogamtanah jarang dapat buat dengan proses ini. Secara umum, tahapan proses PM ditunjukkan pada Gd111bar 6 yang terdiri daTitahapan preparasi alloy dengan komposisi nominal yang direncanakan. Bongkahan alloy dipecah menjadi ukuran beberapanlm dalanl tahapan pre-nulling daDdilanjutkan dengan penghalusan menjadi serbuk bemkuran single domain particle pada tahapan milling. Setiap serbuk dengan demikian ada.lahsebuahkristal tunggal. Serbuk halus ini kemudian dipadatkan didalam suatu cetakan pada tahapan compaction untuk menghasilkan bakalan dengan densitas ~ 75-80 % densitas penuh. Untuk membangkitkan sifat anisotropi nlagnet pernlanen,m,lka proses pemadatan pada tahapan ini hams dilakukan dibawah pengaruhmedanmagnet. Sanlpelmagnetdengan densitas penuh dapat dicapai dengan proses sintering daD dilanjutkan dengan proses anealing untuk menghasilkan mikrostruktur yang tepat. Tahapanproses berikutnya adalah machining agar dicapai bentuk magnet pernlanen dengan dimensi yang akurat. Sifat pernlanen kemagnetaIl magnet permanen diperoleh dalam tahapan terakhir yaitu magnetizing. Magnet pennanen yang dipersiapkan dengan teknik ini kemudian juga dikenal sebagaimagnet sinter. (sintered permanent magnets).
menggunakan komposisi kaya dengan Nd yaitu NdllFe77B8(at. %) dan menghasilkan magnet pennanen dengan energi tertinggi pactasaa itu yaitu -320 kJ.m-3 dengan remanen dan koersivitas masing-masing sebesar 1,23 T dan 960 kA.m-' [13]. Melalui penelitian lanjut, besarnya (BH)nlaxyang berhasil dikembangkan telah mencapai 400 kJ.m-3[12]. Untuk memperoleh magnet dengan energi yang ditingkatkan tsb memerlukan baik perbaikan prosespreparasi seperti nlisalnya pengarahan sumbumudah (easyaxes) kristal Nd2Fe14B pactatahapan compaction maupun perbaikan komposisi alloy serta nlikrostruktur. Idealnya nlikrostruktur magnet sinter NdFe-B diharapkan seprti terlihat pactaGambar 7, dengan fraksi rasa utama yang optimal dan rasa batas butirNdrich yang berperan sebagai isolator untuk menghindari interaksi antar butir. (grain exchange interaction). rasa utanla diharapkanberukuran smnadenganukurans single domain particle yaitu untuk rasaN~FeI4B sekitar 0,3 ~m [13] maka dengan mikrostruktur yang demikian magnetisasi balik secara teori terjadi dengan rotasi koheren pactamedan magnet yang sarna dengan medan anisotropi rasautarna.Dengan perkataan lain, koersivitas magnet yang dihasilkan secara prinsip sangat tinggi. KelemahandaTi magnet sinter yang dipersiapkan melalui proses ini adalah mengingat tingginya kandungan Nd sehingga menghasilkan rasakaya Nd, maka magnet ini mudah terserangkorosi.
,,""'
l
I
. II "": .0 ;
/.'.-
I ,O/"~"'-
~~~r.'.,'.11 """-' '.~.
.
'I,'::'~ ~--_c
.0
Gambar 7. Mikrostruktur
'0
1"..
,. ~ -; '
ideal magnet sinter Nd-Fe-B
Proses Rapid Solidification
Gambar6. Skematik prosesPowder Metallurgy
Magnet sinter Nd-Fe-B pertama dibuat oleh Sumitomo Special Metals (SSM) pactatahun 1984. SSM
Salah satu teknologi proses rapid solidification untuk memproduksi material magnet permanen logam tanahjarang adalah melt spinning yang pertama sekali diperkenalkan oleh Croat et al [14]. Secara skematik, prosesmeltspinning ini diberikan pada Gambar 8. Proses ini menghasilkanpita-pita alloy dengan butir-butir kristal magnetik yang sangat halus mencapai ukuran kristal partikel berdomen tunggal (single domain particle) . Teknik ini juga marnpu menghasilkan pita alloy dengan struktur amorl sehingga dengan proses penggelasan dapat dihasilkan stmkturmikro yang direncanakan daTi ukuran bersakala nanometer (nanostructure, lihat
9
Prosiding Seminar Nasional Bahan Magnet J Serpong,11 Oktober2000 Gambar 8) sampaiskala mikrometer (microstructure,lihat Gambar 9). Struktur ini sangatmempengaruhi sifat-sifat kemagnetanclanbahkan memberikan efek diluar prediksi teori klasik magnet permanen Stoner-Wohlfarth [15] dimana interaksi antar butir sangathalus meningkatkan remanenmagnetisasipita alloy diatasnilai teoribaik untuk material Nd-Fe-B dengan fasatunggal [16-17] maupun materialNd-Fe-B multi-rasa [18].
/SSN /4//-7630 Gambar 10. Pada penekanan disekitar
temperatur
terjadi deformasi panas sehingga meningkatkan
tsb
densitas
magnet menuju kepada densitas penuh (- 7,6 gr.cc). Magnet Nd-Fe-B yang dipersiapkan pertama sekali oleh kelomposk peneliti General Motors dengan cara ini diJaporkan memiliki (BH)max-105 kJ .m-3yaitu harnpir sarna dengan nilai teori Stoner-Wohlfarth yaitu112 kJ.m-3. Bila fragment pita-pita alloy Nd-Fe-B tsb dicampurkan dengan material perekat sepertipolimermaka
dihasilkan
magnet berperekat polimer. Magnet berperekat pada umumnya bersifat isotrop daD karena penggunaan bahan non magnetik didalam magnet menyebabkan fraksi materia] magnet didalam magnet berperekat kurang daTi 100 % maka sifat kemagnetan dari magnet berperekat lebih
Gambar 8. Skematik proses melt spinning
rendah dibandingkan dengan magnet Nd-Fe-B hot press. Namun magnet memiliki sifat mekanik yang lebih mudah dibentuk sehingga dapat mengakomodasi bentuk-bentuk akhir magnet yang rumit. Oi Universitas Indonesia, kelompok magnetik telah melakukan penelitian yang intensip tentang magnet Nd-Fe-B berperekat terutama untuk mengkompensasi penurunan slfat kemagnetan dikarenakan penggunaan material perekat. magnet berperekat dengan (BH)mnx ~ 93 kJ.m-3 telah berhasil dibuat [19]. Nilai ini jauh lebih tinggi dengan magnet Nd-Fe-B berperekat yangdiproduksi secara komersial misalnya "MQI" dengan (BH)mnx-70-80 kJ.m-3,
Gambar 10. Skematik proses hot press untuk pembuatan magnet permanen Nd-Fe-B Gambar 9. Mikrostruktur pita alloy Nd.Fe-B dihasilkan melalui proses melt spinning: a) nanocrystalline dan (b) microcrystalline
Secara kristalograpi, pita alloy Nd-Fe-B terorientasi random sehingga secara magnetik pita alloy bersifat isotrop. Namun dari pita alloy Nd-Fe-B dapat dihasilkan baik magnet isotrop maupun anisotrop.Magnet permanen Nd-Fe-B isotrop di.perolehmelalui proses lanjut hot press fragmen pita alloy dalam suatu cetakan pactatemperatur ~ 700 °C. Proses ini dltunjukkan pacta
10
Bila magnetNd-Fe-B hot press menjalani proses u tang p-adacetakan denganukuran yang lebih besar dari ukuran magnet tsb maka magnet mengalami deformasi pada arah lateral ditandai denganberkurangnya dimensi panjang dari magnet. Proses ini dikenal sebagaidie upsetforging (DUF). ProsesDUF ini membangkitkan sifat anisotropi karena adanya orientasi arah sumbu mudah rasa Nd2Fel4B sejajar dengan arab penekanan. Magnet Nd-Fe-B dari proses DUF yang pertama dibuat pada tahun 1984 dengan (BH)max-320 kJ.m-J[20]. Nilai ini sarna dengan magnet yang dimiliki oJeh magnet sinter
MagnetPermanenBerbasisNd-Fe-B (Azwar Manaf) Nd-Fe-B. InfOTDlasi terbaru menunjukkan kelompok DAFTARPUSTAKA peneliti yang sarna telah berhasil meningkatkan (BH),nax magnet Nd-Fe-B dari prosesDUF menjadi ~ 400 kJ .m-J [1]. MMCCAIGandA.G.CLEGG,PermanentMagneL'. pada skala laboratorium. in Theory and Practice, 2ndedition, PrentechPress,
MAGNET PERMANEN NANO KOMPOSIT Pactaakhir-akhir ini penelitian tentang mclgnet permanenlogarn tanah jarang banyak mengarah kepada jenis barn magnet permanen yang dikenal sebagai "nanocomposite magnet" [21-23]. Magnet permanen jenis ini sangat menarik oleh karena disarnping harga produksi yang cendrnng murah tetapi juga berpotensi untuk memperoleh magnet permanen dengan produk energi maksimum magnetdenganenergiultra tinggi yaitu -1 MJ.m";I[24]. Secarateori, nilai energi setinggi itu bisa diperoleh dari magnet nanokomposit Nd-Fe-B multi rasa dengan disain struktur yang ideal. Dengan adanya nilai (BH)maxbarn dari prediksi teori magnet nanokomposit yaitu sebesar1 MJ.m-) maka itu berarti nilai tertinggi (BH)maxtertinggipacta saa't ini yaitu sebesar400 kJ.m") dari magnet permanenberbasisNd-Fe-B barn mencapai -25 % nilai ekspektasi.Jelaslahdifaharni dari kenyataan ill bahwa penelitian dibidang magnetpermanenterutama kelas Nd-Fe-B masih hams menempuhjalan yang sangat panjang. Kelompok magnetik VI, pacta saat ini juga mengembangkan magnet nanokomposit dengan studi awal hibridisasi antara rasa Nd2Fe14B daDrasa magnetik SmCo~ at au Sm2Co17[25,26]. Diharapkan melalui interdifusi atom-atom dari kedua rasa magnetik tsb mereduksiukuran butir masing-masingrasasampaiskala nanometer yang pacta akhimya membentuk struktur nanokomposit.
PENUTUP Pembahasanyang telah dibicarakan pada tulisan ini diasumsikan telah memberikan gambaran yang j elas bagi para pembaai didalam mengenalpotensikemagnetan dari rasa magnetik Nd2Fe14B.Telah ditunjukkan bahwa rasa magnetik ini memiliki banyak keunggulan ditinjau dari sifat kemagnetan intrinsiknya. Padatulisan ini pula diperkenalkan perhitungan sederhana dengan menggunakan prinsip-prinsip dasar Fisika. Kombinasi antara sifat intrinsik yang dimiliki oleh rasa magnetik magnet Nd-Fe-B yang unggui tsb dengan bahan dasar penyusun material magnet yang tersedia cukup banyak dan hargayang relatip murah membuatmagnetpennanen jenis Nd-Fe-B mempakan magnet permanen yang dapat memenuhi tantangan industri di era sekarang dimana miniaturisasi produk menjadi salah satuprioritas.
London,(1987). [2]. G. HOFFER and STRNAT, IEEE Trans. Mag.. 21 (1966)487. [3]. M. SAGAWA, S. FUJIMURA, N. TOGAWA, H. YAMAMOTO and Y. MATSUURA, .J Appl. Phys., 55 (1984)2083. [4]. J.J. CROAT, J.F. HERBST, R. W. LEE AND F.E. PINKERTON, Appl. Phys. Lett., 55 (1984) 148. [5). J.D. LIVINGSTONE, inProc. Eight. Int. Workshop on Rare Earth Magnets and Their Applications, ed. K.J. STRNAT, Dayton, Ohio, (May 1985),423. [6]. J.F. HERBST and W.B. YELON, J. Appl. Phys.,60 (1986)4224. [7]. B.D. CULLITY,lntroduction to Magnetic Materials, Addision-Wesley, Reading-Messachussets (1972). [8]. M. SAGAWA, S. FUJIMURA, H. YAMAMOTO, Y. MATSUURAandS. HIROSAWA,J.Apll. Phys., 57 (1985), 4094. [9]. G. ASTIandS. RINALDI,.JAppl. Phys.,45 (1974) 3600. [10]. RGROSSINGER,eOBITCH,XK.SUN,RElBLER, H.P. KIRCMAYR, F. ROTHWARF and H. SASSIK, Mat. Lett., 2 (1984) 539. [11]. UK Magnetics Socity,Magnews, Winter (1998) [12]. M. SAGAWA, S. FUnMURA, H. YAMAMOTO, Y MATS~ S. HIROSA WA and K.IllRAGA, in Proc. 8'" Int. Workshop on rare earth mahnets, Dayton, Ohio (1985),587. [13]. M. SAGAWAET. AL.,IEEE. MAG. 20 (1984) 1584 [14]. K.H.J. BUSCHOW,Mat. Sci. Reports,1 (1986) I [15]. J. J. CROAT, J.F. HERBST, R. W. LEE AND F.E. PINKERTON,J.Appl. Phys.,55(1984)2078. [16]. E.C. STONERandE.P. WOHLFARTH, Phil. Trans. Soc.,A-240 (1948) 599. [17]. H. A. DAVIES, A. MANAF, M. LEONOWICZ, S.J. DOBSON and R.A. BUCKLEY,.J Matet: Eng. Perf, 2 (1993)579. [18]. A. MANAF, RA. BUCKLEY, H. A. DAVIES, and M. LEONOWICZ, .J Magn. Magn. Mater. 128 (1993) [19]. A. MANAF, Bonded Nd-Fe-B Based Permanent Magnets Derived from Rapidly Solidified Alloys, Presentedat Indo-Asean Meeting on Nd-Fe-B Permanent Magnets, August 2000, Kuala Lumpur,
Malaysia. [20]. R W LEE,E.G. BREWERandN.A. SCHFFEL,General Motor ResearchPublication, April 10 (1985), Waren, Michigan.
Prosiding SeminarNasional Bahan Magnet I Serpong,11 Oktober2000 [21]. J. M. YAO, T.S.ClllNandS.K. CHEN,.J.App/., 76 (1994)7071. [22]. L. WITHANAWASAN, A.S. MURPHY and G.C. HADJIPANAYIS, JApp/. Phys., 76 (1994) 7065 [23]. J. DING, P.G. MC CORMIC and R. STREET, J Magn. Magn. Mater., 124 (1993) [24]. R. SKOMSKI and J. M. D. COEY;.lEEE Trans. Magn., 29 (1993) 2860 [25]. GURUH SUBROTO, Skripsi S-I, JURUSAN FISIKA, FMIPA-UI, 2000 [26]. JOKO W., Skripsi S-I, Jumsan Fisika, FMIPA-UI,
200)
TANYA-JA WAD Penanya : Moh. Toifur (Universitas Ahmad Dahlan,Yogyakarta) Pertan.yaan Apa pengaruhkomposisisoft danhard magneticpada keunggulanbahan'? Jawaban F asalunak di dalam strnktur nanDkompositmeningkatkan polarisasitotal efektif material magnetNd-Fe-B. Misalnya bila material Fe 100%Ndfe14B iDaka8, = 1,6 T tetapibila material tersebut adalah Nd2Fe14B+a-Fe dimana a-Fe memiliki 8, = 2,2 T sehingga polarisasi total sistem nanokompositini memiliki 2,2 T>8, > 1,6T. Jadi material ini berpeluang mendapat(BH/ nx> 512 K). M-3secarateori bisa mencapai 103kjm-3
12
ISSN1411-7630 Penanya
Setiadi (FT VI)
Pertanyaan 1. Fungsimasing-masingkomponenNd-Fe-Bdalam membentuk gayamagnetik'7 2. 1nteraksi anatarakomponenNd-Fe-B. Jawaban 1. Ketiga komponen/unsur tersebut diper1ukan untuk pembentukanrasa rnagnetik Nd2FeI4B. 2. Komponen Nd+Fe menghasi1kan rasa Nd2Fe17 ternyata berisifat soft. Bila B disisipkan pada sistem Nd-Fe terbentuk rasa Nd2Fe14Bdan bersifat hard magnetic. Jadi peran Nd dan B secara atomik meningkatkankopling spin momen-momenatomFe padaNdFeB sehinggakonstanta anisotropis ber1ipat ganda di banding konstanta anisotropis Fe.
