Magnet Perman en Berbasis Nd-Fe-B (Azwar Manaj)

MAGNET PERMANEN BERBASIS Nd-Fe-B

ABSTRAK

MAGNET PERMAN EN BERBASIS Nd-Fe-B. Kekuatan magnet permanen Nd-Fe-B terletak pada tasa mllgnetikNd2Fe14B yang ditemukan oleh dua kelompok peneliti berbeda di tahun 1984. Kedua-duanya menggunakan dua proses berbedllyaitu masing-masing proses konvensional powder metallurgy dan rapid solidification untuk pembuatan magnet permanenNd-Fe-B. Kedua proses memiliki kelemllhan dan kelebihan ~atu sarna lain meskipun kedua proses menghasilkan magnet permanendengan sit"at-sit'at kemagnetan yang terbandingkan. Oleh karena itu pula kedua produk proses berbeda tsb dipakai secara luas danbersaing oleh industri. Pada paper ini dilakukan tinjauan umum kedua proses terutama kaitan antara mikrostruktur magnet yangberkembang daTi masing-masing proses terhadap sit"at-sit"at kemagnetannya. Dibicarakan pula beberapa inovasi proses lllnjutyang dikembangkan oleh para peneliti dalam usaha peningkatan kualitas sifat-sifat kemagnetan serta beberapa hasil penelitianyang 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 anintermetallic phase Nd2Fe14B discovered by two different research groups in 1984. In principle, there are two major processingroutes for the production of magnets of this phase respectively Powder Metallurgy and Rapid Solidification. The magneticproperty derived from both is in principle comparable. However, the characteristic of the two processes is entirely difterent.Both processing techniques are widely employed by magnet industries. In this paper, the two techniques are briefly reviewed andextended descriptions will be given on the relationship between microstructure development of the magnets and their magneticproperty. The paper is also to discuss some other development of further improvement on production of magnets in order toimprove the properties. Some research results made by researcher of the magnetic group at University of Indonesia on hibride rareearth magnets are also highlighted.

Key Word: Permanent magnets, powder metallurgy, rapid solidification, microstrukture, magnetic property

PENDAHULUAN

Suatu magnet permanen harus mampumenghasilkan densitas fluks, B magnet yang tinggi daTisuatu volume magnet tertentu, stabilitas magnetik yangbaik terhadap efek temperatur dan waktu, serta menulikiketahanan yang tinggi terhadap pengaruh demagnetisasi.Pacta prinsipnya, suatu magnet permanen haruslahmemiliki karakteristik minimal dengan sifat kemagnetanremanen, B, dankoersivitas intrinsik,;Hc serta temperaturCurie, T c yang tinggi.

Dalam 100 tahun belakangan, berbagai kelasmagnet permanen telah dikembangkan oleh para peneliti.Di awal abad 19 baja martensit digunakan sebagai magnetpermanen. Dengan kandungan Co -30 sid 40 % dapatdihasilkan magnet permanen dengan B, -0,90 T dan(BH) ~ 7,6 kJ.m-3 [I]. Magnet baja martensit dengan

mIXkandungan cobalt ini merupakan magnet terbaik pactamasa tsb. Namun dalam beberapa puluh tahunbelakangan, telah teIjadi perkembangan yang pesat dalam

penelitian dibidang magnet pemlanen sehingga sejumlahfasa magnetik barn dengan energi yang lebih tinggi telahditemukan. Magnet Alnico misalnya, pertama sekalidiperkenalkan pada tahun 1 930-an, terdiri dati sejumlahelemen logam transisi (Fe, Co, Ni) memi~i nilai (BH)maxdua kali lipat magnet baja. Pada tahun 1950-an,dikembangkan magnet pemlanen kelas keramik denganformula MO(Fe2OJ6 dimana M adalah Barium atauStronsium yang kemudian dikenal sebagai magnet ferrite.Bila dibandingkan dengan magnet alnico, magnet ferritememiliki energi daD remanen yang lebih rendah tetapimemiliki koersivitas yang jauh lebih tinggi. (lihatGambar I).

Perkembangan dramatis dibidang magnetpermanen terjadi pada tahun 1970-an. Untuk pertamasekali ditemukan magnetkelas logam tanahjarang (rareearth permanent magnets). Fasa magnetik SmCos daDSm2Col7 merupakan fasa magnetik yang penting dati fasa-

5

Azwar MaDarJurusan Fisika, Fakultas Matematika dan IImu Pengetahuan Alam, Universitas Indonesia

Kampus UI-Depok 16424e-mail: azwar(@maill.makara.cso.ui.ac.id

Prosiding Seminar Nasional Bahan Magnet ISerpong, 11 Oktober 2000 ISSN1411-7630

tinjauan umum dua proses utama masing-masing PowderMetallurgy dan Rapid Solidification yang digunakansecara luas untuk pembuatan magnet permanen Nd-Fe-B dan kaitan antara mikrostruktur magnet yangberkembang daTi masing-masing proses terhadap sifat-sifat kemagnetannya.

SIFAT KEMAGNETAN INTRINSIK FASA

MAGNETIK Nd2Fe14B

Polarisasi total rasa Nd2Fe14B

Polarisasi total J daTi suatu rasa didefinisikan.sebagai jumlah total momen magnet atom-atom yangterdapat didalam rasa magnetik peronit volume. FasaNd2Fel4B melniliki struktur kristai simetri tetragonal dansel ini ditunjukkan pada Gambar 3. Sel tersusun daTi4 buah sel unit Nd2Fe14B denganjumlah atom total yangacta pada sel adalah 68 buah terdistribusi masing-masing8 buah atom Nd, 56 buah atom Fe daD 4 buah atom B.Herbst daD Yelon [6J telah melakukan analisis strokturkristal rasa tsb dengan XRD daD difraksi neutron.Berdasarkan analisis tsb diketahui bahwa konstanta kisikristal rasa adalaha= 8,803 Adanc = 12,196 A. Dengan

delnikian volume sel rasa dapat mudah dihitung yaitu V= a2xc= 945,2 A3.

rasa RE-Co (RE = rare earth elemens) yang mungkin.

Kedua rasa magnetik tsb memiliki polarisasi total, J. danmedan anisotropi, HA yang sangat tinggi sehinggaberpeluang memiliki remanen dan koersivitas yang tinggi,sebagai keharusan untuk mendapatkan magnet permanendengan nilai (BH)max yang tinggi (lihat Tabell tentangsifat kemagnetan intrinsik rasa-rasa magnetik magnetpermanen [2]). Eksploitasi magnetkelas ini mengalamikesulitan dikarenakan harga Co yang sangat mahal sertaketersediaan unsur Sm yang terbatas di bumi sehinggapopularitas magnet ini pacta kalangan industri pemakaimenjadi menurun. Namun ditahun 1 980-an, ditemukanmagnet permanen logam tanahjarang baru berbasis rasamagnetik RE2Fe14B yang ditemukan oleh dua kelompokpeneliti berbeda masing-masing kelompok peneliti dariSumitomo Special Metals [3] dan General Motors [4].Hasil obseIVasi kritis yang dilakukan oleh Livingston [5]sebagaimana yang dapat dilihat pacta Gambar 2 bahwasemua unsur RE dapat membentuk rasa RE2Fe14B tetapidari sederetan rasa magnetik yang mungkin dari kelasini, rasa Ndfe14B yang sangat berpeluang untuk memilikienergi yang paling tinggi. Pacta paper ini dl"bicarakan lebihjauh tentang sifat intrinsik rasa magnetik Ndle14B serta

1.7. ,',. ,. , I , I ..

1«

I~

IA

1.1,I

IJ

Et.~r-:1'1.0...0.9

0.8

07

0.6

0.5

0.4

.".0". c~ I,() "'12°" k, 0'. k2 e..

.&

.i..rw' :

Gambar 3. Struktur kristal t'asa NdzFcuB

r~o:.

Analisis neutron yang dilakukan oleh Herbs danYelon juga berhasil menentukan momen magnet per atomrasa Nd2Fe14B dimana diketahui bahwa jumlah totalmomen magnet atom adalah 32, 1 ~B' Besaran-besaranintrinsik yang diperoleh dari analisis XRD dan difraksineutron memungkinkan penentuan magnetisasi total, M,rasa Nd2Fel4B secara teoritik yaitu sesuai denganpersamaan 1 :

M,= ~tOta1/V (1)

~tota1 adalah jumlah momen magnet atom per sel satuanfasaNdfe14Byaitu32,1 ~(1 ~ = 9,273 X 10-24 J/f)dan V

....I f'~t.j/,: ~F;;~t;ta1'5d;It[; $w1!8 .

Garnbar 1. Magnetisasi total t'asa magnetik RE,Fe1.B [5]

6

,Yagnet Perman en BerhtL\'i.\' Nd-Fe-B (Azwar Manaf)

nilai K1 = 4,5 MJ.m.3 daD K2 = 0,66 MJ.m-3 [7]. Makcldengan mengambil nilai J, = 1,583 T yang telah dihitung

sebelumnya, nilai HA untuk rasa N~FeI4B dihitung melaluipersamaan 3 adalah :

HA = (2x4,5 + 4 x 0,66) X 106 J /1,583 T = 6520 kA.m-1

Untuk material polikristal, nilai HA bisa diukursecara eksperimen menggunakan teknik yangdikembangkan oleh Asti dkk [9] dan Grossinger dkk [10]yang dikenal sebagai teknik Single Point Detection (SPD).Teknik SPD ini menggunakan pulsa medan magnet untukmenghasilkan medan magnet yang sangat tinggi dalanlproses magnetisasi. Besaran yang dijadikan sebagaiindikator adalah d2MJd2H yang diplot sebagai fungsi H.Singularitas akan terlihat pacta waktu medan magnetisasiH sarna dengan medan anisotropi H A .

adalah volume sel Nd2Fe14B yaitu 945,2 x 10-2, m'. Olehkarena didalam sel terdapat 4 buah sel satuan Nd2Fe14Bmaka maO1.1etisasi total M rasa Nd Fe B adalah M = (40' " 2 14 ,x32,1 x 9,273 x 10-24 JfI)/945,2 x W-2'm' = 1,26 x 106 Nm.

Dengan demikan polarisasi total rasa Nd2Fel4B adalah J,= l.LoM,= (47tx 10-7H.m-1) x 1,26 x 106A.m-1 = 1,583 T.

Hasi1 pengukuran polarisasi total dari kristal tunggal rasaNd2Fe14B sesuai dengan nilai teoritik ini sebagaimanaterlihat pacta Gambar 2.

Polarisasi total mempakan sifat kemagnetan yangpenting dalam magnet permanen karena secara idealremanen dari magnet permanen sarna dengan polarisasitotal. Secara ekstrinsik, nilai remanen se1alu lebih kecildari polarisasi total.

Produk energi maksimum (BB)max

(BH)max merupakan sifat yang paling utama darisuatu magnet permanen menunjukkan energi persatuanvolume magnet yang dipertahankan dida.lam magnet.Besaran ini diturul1kan daTi kurva kuadran kedua (kurvademagnetisasi) daTi loop histeresis sehingga diperolehkurva (BH) yaitu perkalian antara B dan H sebagai fungsiH. Jadi kurva (BH) sebagai fungsi H tsb tidak lain adalahtemp at kedudukan titik-titikluasan dibawah kurvademagnetisasi. Secara skenuuik, penentUail kurva (BH )daTi kurva demagnetisasi ditunjukkan pada Gambar 4.Seperti terlihat pada gambar 4, kurva (BH) memiliki suatunilai tertinggi sebagai fungsi H dan nilai inilah yangdikenal sebagai produk energi maksimum.

1-1

Gambar 4. Kurva (BH) diturunkan dari kuadran kedua loophisterisis

Medan anisotropi (anisotropy field) rasa N~FeI4B

Anisotropi magnet dapat muncul dari berbagaisebab seperti bentuk magnet, struktur krista!, efek stressdish. Kebanyakan material feromagnet memilikianisotropi kristal disebut "magnetocrystallineanisotropy" dirnana kristal merniliki arab magnetisasi yangdisukai daD disebut sebagai arab mudah. Arah iniumumnya searah dengan sumbu mudah kristal dimanapada keadaan stabil arab momen magnet atau magnetisasikristal sarna dengan arab surnbu mudah. Pada konfigurasikeadaan stabil ini, energi total dalam magnet ada.lahminimum. Sumbu krista! yang lain disebut sumbu kerasdimana pemagnetan pada arab ini meningkatkan energikristal karena diperlukan suatu energi untuk mengubaharab vektor rnagnetisasi yang tadinya searah dengansumbu mudah. Energi yang diperlukan untukmengarahkan arab momen magnet menjauhi sumbumudahnya disebut magneto crystalline energy alananisotropy energy, EA. Untukkristal; dengan satu sumbumudah seperti Nd2FeI4B, besamya EA diberikan olehpersanlaan 2.

EA(8)=LKnsin2n8 (2)

dimana 8 adalah sudut antara vektor magnetisasi totaldan sumbu mudah. K1.. .Kn disebut konstanta anisotropiyang diukur dalam J.m-3. Medan anisotropi, HA berkaitandengan konstanta anisotropi daD polarisasi total. U ntuksuatu partikel magnetik berdomain tunggal, nilai HAdinyatakanolehpersamaan 3 [6]:

HA = (2K1 +4~) / J, (3)

Secara fisis, persamaan 3 tsb menunjukkan besarnyamedan nlagnet luar H yang diperlukan untuk mengarahkanvektor magnetisasi kristal searah dengan arab sumbukeras. Untuk kasus partikel magnetik berdornain tunggal,nilai HA tsb mernpakan batas atas koersivitas karena padamedan H = -HA pembalikan vektor magnetisasi barn bisa

terjadi [7]. Dengan perkataan lain, makin besar nilai H Adari suatu rasa magnetik, makin besar koersivitas darimagnet. Jelaslah,medan anisotropi mernpakan salah satusifat intrinsik. Dari basil pengukuran konstanta anisotropiorde I dan 2 kristal tunggal rasa Nd2Fe14B, diperoleh

Nilai intrinsik daTi (BH)max dapat dihitung secaramudah dengan menggunakan persamaan produk energi(BH) dinyatakan seperti persamaan 4.

(BH)=l-I.oH2+JH (4)

Persamaan 4 adalah suatu persamaan kuadratsehingga plot antara kurva (BH) dan H mengambil bentukparabola seperti ditunjukkan pada Gambar 4. Nilaimaksimum dari kurva (BH) tsb ditentukan oleh syarat8(BH)/ 8H = 0, yaitu :

7

Prosiding Seminar Nasional Bahan Magnet ISerpong, 11 Oktober 2000 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 kritisyaitu nilai H yang memberikan nilai (BH) mencapai nilaimaksimumnya daD nilai J telah digantikan dengan J,dengan asumsi bahwa loop histeresis mengambil bentukideal berupa kotak seperti ditunjukkan pacta Gambar 5.Jadi dengan mensubsitusikan H pacta persamaan 4dengan H = Hc dari persamaan 5 diperoleh persamaan 6.

(BH)max = J,2 / 4f.lo (6)

~ NM-

pula jumlah energi yang tersedia. Pada Gambar 5,diberikan suatu ilustrdsi perbandingan kemarnpuan kerjadaTi tiga kelas magnet pemlanen dengan (BH) berbeda.Perhatikan bahwa dalam ilustrasi tsb ketiga j~7tis malletmenliliki ukuran yang sarna. Mudahlah dimengerti daTiilustrasi tsb bahwa hila didalam suatu produk teknologi

diperlukan magnet permanen dengan energisetara dengan yang dimiliki magnet ferrite maka hiladiterapkan magnet permanen Nd-Fe-B, volume magnetyang diperlukan dapat diperkecil. Dengan perkataan lain,penggunaan magnet permanen dengan produk energiyang tinggi sangat sesuai dengan usaha miniaturisasisuatu produk ~eknologi.

Sejak ditemukan rasa magnetik Nd2Fe14B padatahun 1983, telah banyak penelitian yang dilakukan untukmencapai nilai intrinsik tsb. Berbagai usaha teknikpreparasi telah dikembangkan daD disain mikrostrukturdioptimalkan. Narnun nilai (BH)maxdari magnet pemlanenNd-Fe-B tertinggi yang pernah dicapai pada skalalaboratorium baru mencapai -400 kJ.m-3 [12] yaitu kira-kira 78 % daTi nilai intrinsiknya. Jelaslah, penelitiantentang magnet Nd-Fe-B masih terus berlanjut meskipunpada saa ini magnet pennanen kelas ini telahdiproduksisecara komersial.

Pada bagian bagian terdahulu telah dibicarakandetil tentang beberapa sifat kemagnetan utama daTi

magnet pennanen mencakup temperatur Curie, remanen,polarisasi total, koersivitas, medan anisotropi dan produkenergi nlaksimum. Semua sifat kemagnetan dasar inimemiliki nilai intrinsiknya yang dengan mudah dapatdihitung dengan bantuan beberapa besaran-besaran fisisdaTi rasa magnetik. Pada Tabell berikut ini dicantumkanbeberapa nilai intrinsik utama yang dihitung dengan carayang sarna seperti dibicarakan terdahulu untuk berbagairasa magnetikdari berbagai kelas magnet permanen.

; ~. k"~ ~ Gambar 5. Perbandingan unjuk kerja tiga jenis magnet

permanen berbeda

Tabel I. Sit 'at kemagnetan intrinsik rasa magnetik dari mag-net permanen

Jelas terlihat rasa magnetik Nd2Fe14B memilikibeberapa keunggulan terutama pada polarisasi total danproduk energi maksimum yang sangatdiperlukan untuk

mendapatkan magnet permanen dengan unjuk kerja yangbaik. Disanlping itu magnet permanen berbasis Nd-Fe-Bmenggunakan bahan dasar Fe dengan fraksi atom sekitar82 %. Diketahui bahan bahan dasar Fe cukup mudahdiperoleh dan tersedia melimpah dibumi dan denganharga yangrelatip murah. Dengan temperatur Curie yangtidak terla1u rendah -312 °C dan nilai (BH)max yang tinggiserta bahan dasar yang mudah diperoleh menyebakanmagnet permanen jenis ill menjadi sangat menarik dan

Pembaca hams hati-hati dalam menginterpretasipersamaan 6 karena persamaan tsb seolah-olah tidakmembedakan antara loop histeresis yang "gemuk" clanyang "kurus" yaitu seolah-olah nilai (BH)max hanyaditentukan oleh J. daTi suatu material magnet. Sebagaiilustrasi misalnya diambil bahan feromagnet Fe yangdiketahui memiliki J. = 2,2 T. Berdasarkan persamaan 6,

Fememilikinilai (BH) sebesar 963 kJ.m-3. Namunhasilmax

pengukuran menunjukkan bahwa (BH)max daTi Femendekati nolo Dleh karena itu persamaan 6 tsb hanyaberlaku untuk material yang memiliki suatu loop histeresismagnet permanen yang ideal. Melalui persamaan 6, makadengan mudah nilai intrinsik (BH)max dari rasa magnetikNd2Fel4B dapat ditentukan dengan mengambil nilai J. =

1,583 T.lni memberikan:

(BH) = (1,583 T)2/ 4 X 4nx 10.7 H.m-! = 5l2kJ.m.3max

Nilai (BH)max suatu mallet pennanen dinyatakandidalam sat~an J.m-3, menjadi parameter penting olehkarena nilai tsb berbanding terbalik dengan volumemagnet. Dengan perkataanlain makin besar nilai (BH)max'makin besar pula energi yang terdapat didalam suatuvolume magnet. Makin besar volume tsb makin besar

R

Magnet Perman en BerbasLf Nd-Fe-B (Azwar Manaf)

berpeluang mendapatkan pasar yang besar menggaIltikanmagnet permanen kelas terdahulu seperti ferrite daDSm-Co.

menggunakan komposisi kaya dengan Nd yaituNdllFe77B8 (at. %) dan menghasilkan magnet pennanendengan energi tertinggi pacta saa itu yaitu -320 kJ.m-3dengan remanen dan koersivitas masing-masing sebesar1,23 T dan 960 kA.m-' [13]. Melalui penelitian lanjut,besarnya (BH)nlax yang berhasil dikembangkan telahmencapai 400 kJ.m-3 [12]. Untuk memperoleh magnetdengan energi yang ditingkatkan tsb memerlukan baik

perbaikan proses preparasi seperti nlisalnya pengarahansumbu mudah (easy axes) kristal Nd2Fe14B pacta tahapancompaction maupun perbaikan komposisi alloy sertanlikrostruktur. Idealnya nlikrostruktur magnet sinter N d-Fe-B diharapkan seprti terlihat pacta Gambar 7, denganfraksi rasa utama yang optimal dan rasa batas butirNd-rich yang berperan sebagai isolator untuk menghindariinteraksi antar butir. (grain exchange interaction). rasautanla diharapkan berukuran smna dengan ukurans singledomain particle yaitu untuk rasa N~FeI4B sekitar 0,3 ~m[13] maka dengan mikrostruktur yang demikianmagnetisasi balik secara teori terjadi dengan rotasikoheren pacta medan magnet yang sarna dengan medananisotropi rasa utarna. Dengan perkataan lain, koersivitasmagnet yang dihasilkan secara prinsip sangat tinggi.Kelemahan daTi magnet sinter yang dipersiapkan melaluiproses ini adalah mengingat tingginya kandungan Ndsehingga menghasilkan rasa kaya Nd, maka magnet inimudah terserang korosi.

PROSES FABRIKASI MAGNET PER-

MANEN Nd-Fe-B

Proses Po\vder Met~tllurgy

Proses Powder Metallurgy (PM) merupakanproses konvensional yang utama digunakan dalampembuatan magnet pennanen pada skala industri. Baikmagnet keramik ferrite maupun logamtanah jarang dapatbuat dengan proses ini. Secara umum, tahapan prosesPM ditunjukkan pada Gd111bar 6 yang terdiri daTi tahapanpreparasi alloy dengan komposisi nominal yangdirencanakan. Bongkahan alloy dipecah menjadi ukuranbeberapa nlm dalanl tahapan pre-nulling daD dilanjutkandengan penghalusan menjadi serbuk bemkuran singledomain particle pada tahapan milling. Setiap serbukdengan demikian ada.lah sebuah kristal tunggal. Serbukhalus ini kemudian dipadatkan didalam suatu cetakanpada tahapan compaction untuk menghasilkan bakalandengan densitas ~ 75-80 % densitas penuh. Untuk

membangkitkan sifat anisotropi nlagnet pernlanen, m,lkaproses pemadatan pada tahapan ini hams dilakukandibawah pengaruh medan magnet. Sanlpel magnet dengandensitas penuh dapat dicapai dengan proses sinteringdaD dilanjutkan dengan proses anealing untukmenghasilkan mikrostruktur yang tepat. Tahapan prosesberikutnya adalah machining agar dicapai bentuk magnetpernlanen dengan dimensi yang akurat. Sifat pernlanenkemagnetaIl magnet permanen diperoleh dalam tahapanterakhir yaitu magnetizing. Magnet pennanen yangdipersiapkan dengan teknik ini kemudian juga dikenalsebagai magnet sinter. (sintered permanent magnets).

II "": .I .0

,,""' l ; /.'.- '0

,O/"~"'-,. ~ -; ' I 1".. .~~~r.' .,'.11 'I,'::'~"""-' ~--_c'.~. .0

Gambar 7. Mikrostruktur ideal magnet sinter Nd-Fe-B

Proses Rapid Solidification

Salah satu teknologi proses rapid solidificationuntuk memproduksi material magnet permanen logamtanah jarang adalah melt spinning yang pertama sekalidiperkenalkan oleh Croat et al [14]. Secara skematik,proses meltspinning ini diberikan pada Gambar 8. Prosesini menghasilkan pita-pita alloy dengan butir-butir kristalmagnetik yang sangat halus mencapai ukuran kristalpartikel berdomen tunggal (single domain particle) .Teknik ini juga marnpu menghasilkan pita alloy denganstruktur amorl sehingga dengan proses penggelasandapat dihasilkan stmkturmikro yang direncanakan daTiukuran bersakala nanometer (nanostructure, lihat

Gambar 6. Skematik proses Powder Metallurgy

Magnet sinter Nd-Fe-B pertama dibuat olehSumitomo Special Metals (SSM) pacta tahun 1984. SSM

9

Prosiding Seminar Nasional Bahan Magnet JSerpong, 11 Oktober 2000 /SSN /4//-7630

Gambar 8) sampai skala mikrometer (microstructure, lihatGambar 9). Struktur ini sangat mempengaruhi sifat-sifatkemagnetan clan bahkan memberikan efek diluar prediksiteori klasik magnet permanen Stoner-Wohlfarth [15]dimana interaksi antar butir sangat halus meningkatkanremanen magnetisasi pita alloy diatasnilai teoribaik untukmaterial Nd-Fe-B dengan fasatunggal [16-17] maupunmaterial Nd-Fe-B multi-rasa [18].

Gambar 10. Pada penekanan disekitar temperatur tsb

terjadi deformasi panas sehingga meningkatkan 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 inidiJaporkan memiliki (BH)max -105 kJ .m-3 yaitu harnpir sarna

dengan nilai teori Stoner-Wohlfarth yaitu- 112 kJ.m-3.Bila fragment pita-pita alloy Nd-Fe-B tsb dicampurkan

dengan material perekat sepertipolimermaka dihasilkan

magnet berperekat polimer. Magnet berperekat padaumumnya bersifat isotrop daD karena penggunaan bahannon magnetik didalam magnet menyebabkan fraksi ma-

teria] magnet didalam magnet berperekat kurang daTi 100% maka sifat kemagnetan dari magnet berperekat lebih

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. magnetberperekat 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 8. Skematik proses melt spinning

Gambar 10. Skematik proses hot press untuk pembuatan mag-net permanen Nd-Fe-B

Gambar 9. Mikrostruktur pita alloy Nd.Fe-B dihasilkan melaluiproses melt spinning: a) nanocrystalline dan (b) microcrys-talline

Bila magnet Nd-Fe-B hot press menjalani prosesu tang p-ada cetakan dengan ukuran yang lebih besar dariukuran magnet tsb maka magnet mengalami deformasipada arah lateral ditandai dengan berkurangnya dimensipanjang dari magnet. Proses ini dikenal sebagai die up-set forging (DUF). Proses DUF ini membangkitkan sifatanisotropi karena adanya orientasi arah sumbu mudahrasa Nd2Fel4B sejajar dengan arab penekanan. MagnetNd-Fe-B dari proses DUF yang pertama dibuat padatahun 1984 dengan (BH)max -320 kJ.m-J [20]. Nilai inisarna dengan magnet yang dimiliki oJeh magnet sinter

Secara kristalograpi, pita alloy Nd-Fe-Bterorientasi random sehingga secara magnetik pita alloybersifat isotrop. Namun dari pita alloy Nd-Fe-B dapatdihasilkan baik magnet isotrop maupun anisotrop.Mag-net permanen Nd-Fe-B isotrop di.peroleh melalui proseslanjut hot press fragmen pita alloy dalam suatu cetakanpacta temperatur ~ 700 °C. Proses ini dltunjukkan pacta

10

Magnet Permanen Berbasis Nd-Fe-B (Azwar Manaf)

Nd-Fe-B. InfOTDlasi terbaru menunjukkan kelompokpeneliti yang sarna telah berhasil meningkatkan (BH),naxmagnet Nd-Fe-B dari proses DUF menjadi ~ 400 kJ .m-J

pada skala laboratorium.

DAFTARPUSTAKA

[1]. MMCCAIGandA.G.CLEGG,PermanentMagneL'.in Theory and Practice, 2nd edition, Prentech Press,

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. Workshopon 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 Materi-

als, 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, andM. LEONOWICZ, .J Magn. Magn. Mater. 128

(1993)[19]. A. MANAF, Bonded Nd-Fe-B Based Permanent

Magnets Derived from Rapidly Solidified Alloys,Presented at Indo-Asean Meeting on Nd-Fe-B Per-manent Magnets, August 2000, Kuala Lumpur,

Malaysia.[20]. R W LEE, E.G. BREWERandN.A. SCHFFEL, Gen-

eral Motor Research Publication, April 10 (1985),

Waren, Michigan.

MAGNET PERMANEN NANO KOMPO-

SIT

Pacta akhir-akhir ini penelitian tentang mclgnetpermanen logarn tanah jarang banyak mengarah kepadajenis barn magnet permanen yang dikenal sebagai

"nanocomposite magnet" [21-23]. Magnet permanenjenis ini sangat menarik oleh karena disarnping hargaproduksi yang cendrnng murah tetapi juga berpotensiuntuk memperoleh magnet permanen dengan produkenergi maksimum magnet dengan energi ultra tinggi yaitu-1 MJ.m";I [24]. Secara teori, nilai energi setinggi itu bisadiperoleh dari magnet nanokomposit Nd-Fe-B multi rasadengan disain struktur yang ideal. Dengan adanya nilai(BH)max barn dari prediksi teori magnet nanokomposityaitu sebesar 1 MJ.m-) maka itu berarti nilai tertinggi(BH)maxtertinggi pacta saa't ini yaitu sebesar 400 kJ.m")dari magnet permanen berbasis Nd-Fe-B barn mencapai-25 % nilai ekspektasi. Jelaslah difaharni dari kenyataanill bahwa penelitian dibidang magnet permanen terutamakelas Nd-Fe-B masih hams menempuhjalan yang sangatpanjang. Kelompok magnetik VI, pacta saat ini jugamengembangkan magnet nanokomposit dengan studiawal hibridisasi antara rasa Nd2Fe14B daD rasa magnetikSmCo~ at au Sm2Co17 [25,26]. Diharapkan melaluiinterdifusi atom-atom dari kedua rasa magnetik tsbmereduksi ukuran butir masing-masing rasa sampai skalananometer yang pacta akhimya membentuk struktur

nanokomposit.

PENUTUP

Pembahasan yang telah dibicarakan pada tulisanini diasumsikan telah memberikan gambaran yang j elasbagi para pembaai didalam mengenal potensi kemagnetandari rasa magnetik Nd2Fe14B. Telah ditunjukkan bahwarasa magnetik ini memiliki banyak keunggulan ditinjaudari sifat kemagnetan intrinsiknya. Pada tulisan ini puladiperkenalkan perhitungan sederhana denganmenggunakan prinsip-prinsip dasar Fisika. Kombinasiantara sifat intrinsik yang dimiliki oleh rasa magnetikmagnet Nd-Fe-B yang unggui tsb dengan bahan dasarpenyusun material magnet yang tersedia cukup banyakdan harga yang relatip murah membuat magnet pennanenjenis Nd-Fe-B mempakan magnet permanen yang dapatmemenuhi tantangan industri di era sekarang dimanaminiaturisasi produk menjadi salah satu prioritas.

Prosiding Seminar Nasional Bahan Magnet ISerpong, 11 Oktober 2000 ISSN1411-7630

Penanya Setiadi (FT VI)

Pertanyaan1. Fungsi masing-masing komponen Nd-Fe-B dalam

membentuk gaya magnetik'72. 1nteraksi anatara komponen Nd-Fe-B.

[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, JMagn. Magn. Mater., 124 (1993)

[24]. R. SKOMSKI and J. M. D. COEY;.lEEE Trans.Magn., 29 (1993) 2860

[25]. GURUH SUBROTO, Skripsi S-I, JURUSANFISIKA, FMIPA-UI, 2000

[26]. JOKO W., Skripsi S-I, Jumsan Fisika, FMIPA-UI,200)

Jawaban1. Ketiga komponen/unsur tersebut diper1ukan untuk

pembentukan rasa rnagnetik Nd2FeI4B.2. Komponen Nd+Fe menghasi1kan rasa Nd2Fe17

ternyata berisifat soft. Bila B disisipkan pada sistemNd-Fe terbentuk rasa Nd2Fe14B dan bersifat hardmagnetic. Jadi peran Nd dan B secara atomikmeningkatkan kopling spin momen-momen atom Fepada NdFeB sehingga konstanta anisotropis ber1ipatganda di banding konstanta anisotropis Fe.

TANYA-JA WAD

Penanya : Moh. Toifur (Universitas AhmadDahlan, Yogyakarta)

Pertan.yaanApa pengaruh komposisi soft dan hard magnetic padakeunggulan bahan'?

JawabanF asa lunak di dalam strnktur nanD komposit meningkatkanpolarisasi total efektif material magnet Nd-Fe-B. Misalnyabila material Fe 100% Ndfe14B iDaka 8, = 1,6 T tetapi bila

material tersebut adalah Nd2Fe14B +a-Fe dimana a-Fememiliki 8, = 2,2 T sehingga polarisasi total sistem

nanokomposit ini memiliki 2,2 T>8 > 1,6 T. Jadi material,ini berpeluang mendapat (BH/ > 512 K) M-3 secara teori

nx .bisa mencapai 103kjm-3

12