Prosiding Pertemuan llmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktober1998 ISSN 1410-2897

KINETIKA KRISTALISASI FASA UTAMA MAGNETNANOKOMPOSIT Ndto(Fet-xCoX)84B6

3'

Djoko Triyonol, Azwar Manar I, Li YPI Jurusan Fisika FMIPA -Universitas Indonesia, Depok 16424

1Dept. of Physics-Faculty of Science, National University of Singapore,Lower Kent Ridge Roads, Singapore 119260

ABSTRAK

KINETlKA KRISTALISASI FASA UTAMA MAGNET NANOKOMPOSIT Nd.o(Fe.-xCox)I4B" Kinetikaproses kristalisasi pita paduan magnetik Nd.o(Fe.-.Co')I4B6 dipelajari dengan menggunakan metode kalorimetri (DSC) danXRD. Energi aktivasi (Ec) dan konstanta Avrami (n) kristalisasi dihitung dengan menggunakan metode Kissinger yangdimodifikasi untuk paduan dengan komposisi x = 0 dan x = 0,1. Hasil-hasil analisis kinetika menunjukkan bahwa transformasi

rasa dari rasa gelas menjadi rasa kristalin terjadi melalui mekanisme difusi dengan laju pertumbuhan dan nukleasi konstan.Berdasarkan studi difraksi sinar x, rasa yang terbentuk di dalam pita-pita kristalin adalah tipe NdtFe,Co)14B sebagai rasautama dan a-Fe sebagai rasa kedua. Juga ditunjukkan bahwa aton-atom Co mensubstitusi atom-atom Fe di dalam rasa utamamembentuk Ndz(Fe,Co)14B.

ABSTRACTTHE KINETIC OF CRYSTALLIZATION OF MAIN PHASE FOR Nd1o(Fel-xCox)84B, NANOCOMPOSITE

MAGNETS. The kinetic of crystallization of melt-spun Nd1o(Felo.Co.)84B6 ribbons have been investigated by a computercontrolled DSC and X-ray diffractometer. Using the modified Kissinger method, the activation energy (Ec) and Avrami con-stant (n) for the alloys with x = 0 and x = 0,1 composition were determined. Results of kinetic analysis indicated that the

transformation of glassy to crystalline phase takes place through a diffusion controlled mechanism and the initial growth ofnucleation particles progressed with a constant rate. The phases present in crystallized ribbons as indicated by XRD areNd2(Fe,Co)]4B type as the main phase, and a-Fe as the second phase. It is shown that Co atom replaced Fe atom in the mainphase to form Nd2(Fe,Co)14B.

KEYWORD

Kinetic of crystallization, Kissinger method, N~(Fe,Co)14B

PENDAHULUAN

Pada akhir-akhir ini, penelitian mengenai mag-net permanen logam tanah jarang banyak mengarahkepada jenis barn magnet permanen yang dikenalsebagai "nanocomposite magnets" [1-4]. Magnetpermanen jenis ini sangat menarik oleh karenadisamping harga produksi yang cenderung lebih murahjuga berpotensi memiliki energi ultra tinggi ~ 1 MJm-3 [5]. Preparasi magnet nanokomposit dapat dilakukan

baik dengan teknik metaIurgi serbuk [6] atau teknikmelt. spinning [7]. Dengan teknik melts pinning dapatdihasilkan paduan magnetik berbasis Nd-Fe-B berupapita-pita paduan (meltspun ribbons) terdiri dari rasaamorf/gelas terutama hila diproses dengan laju substratyang cukup tinggi (overquench ribbons). Bila pitapaduan yang me-ngandung rasa amorf ini diikutidengan perlakuan panas maka akan terjadi kristaIisasirasa amorf menjadi rasa kristaIin dengan ukuran butirkristal yang sangat halos < 35 nm daD dapatdigolongkan ke dalam material nanokristal(nanocrystalline materials) [8]. Ukuran rata-rata kristaI

dalam orde nanometer pada material magnetik dapatmeningkatkan sifat-sifat kemagnetan seperti remanel1magnetisasi, Jr, koersivitas, ;IIo dan energi produkmaksimum, (BH) melalui efek interaksi antar butirkristal (exchange ~~upling) dan rotasi koheren momenmagnet.

Pemahaman kinetika evolusi rasa utama selamaproses kristalisasi dengan perlakuan panas pada pitapaduan magnetik jelaslah akan sangat bermanfaatuntuk mengetahui parameter perlakuan panas yangtepat agar dihasilkan sifat kemagnetan material yangoptimal. Pada kertas ilmiah ini dilaporkan basil studikinetik terhadap pita paduan magnet nanokompositNd\o(Fe\_xCoX)S4B ( %. at.) dengan konsentrasi Co,x = 0 dan 0,1 yang dipreparsi dengan teknik

me/tspinning dengan laju substrat yang tinggi(overquench). Mekanisme laju nukleasi yang berkaitandengan konstanta Avrami, n serta energi aktivasi, Eodan transisi magnetik disekitar temperatur Curie jugadidiskusikan.

Djoko Triyono dkk. 105

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1/1Serpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN1410-2897

PROSEDUREKSPERIMEN rnagnetik dianil pada temperatur 700 OC selama 10 menitmuncul rasa utama N~Fe14B dan rasa a-Fe. Keberadaanrasa a-Fe merupakan konsekwensi logis dari paduanberbasis Nd-Fe-B kandungan Nd rendah (under-sto-ichiometry). Basil identifikasi puncak-puncak difraksidaTi paduan yang mengandung Co, x = 0,1 juga

menunjukkan nilai-nilai jarak antar bidang ~ rasautama 2/14/1 sedikit lebih rendah bila dibandingkandengan nilai-nilai ~ dari paduan bebas Co (x =0). Lebihrendahnya nilai ~ terukur ini menunjukkan rasa utamayang sesungguhnya terbentuk pada pita paduan untukkomposisi x = 0,1 adalah N~(Fe,Co)14B dan bukan rasa

Ndfe14B. Dengan perkataan lain, bahwa selarna prosesperlakuan panas dengan waktu yang relatif panjang (>10 menit) dapat dipastikan telah terjadi difusi atom-atomCo menggantikan atom-atom pada rasa Nd2Fel4Bsebingga terbentuk rasa barn Nd2(Fe,Co)14B. Substitusisebagian fraksi atom Fe oleh atom-atom Co memberikanefek berubahnya jarak antar bidang kristal. Efeksubstitusi ini temyata juga mempengaruhi konstantakisi sumbu keras, a (hard axis) dan sumbu mudah, c (eaSy

axis) yaitu berupa penurunan konstanta kisi. Penurunankonstanta kisi rasa utama 2/14/1 dengan meningkatnyakonsentrasi Co dalam sistem paduan magnetikNd1o(Fel-.Co.)84B6 ini telah dilaporkan pada penelitiansebelumnya [9]. Dengan demikian juga telah teljadikontraksi volume sel satuan rasa utama karena efeksubstutusi tersebut.

Hasil pengukuran temperatur Curie, T c denganDSC untuk sistem paduan magnetik Nd\o(Fel..Co.)84B6menunjukkan bahwa telah teljadi peningkatan T c yang

Pembuatan pita paduan Nd1o(Fel-XCoX)84B6 (meltspun ribbon) dengan x = 0 dan 0,1 dilakukan dengan

teknik melt spinning (di Nat. Univ. of Singapore. NUS)dengan laju substrat 30 m/s. Proses pembuatan pitapaduan dilakukan dalam tabung yang divakumkansampai mencapai level -10-4 torr dan kemudian diisidengan gas argon murni mencapai tekanan parsial -1 atm. Tekanan injeksi yang dipergunakan adalah 5 Psiserta diameter nozzle diantara 0,6 -0,8 rom. Preparasidengan proses melt spinning ini menghasilkan pita-pitapaduan Nd-Fe-B bebas oksidasi dan berkilau. Setiapsampel dilakukan pengukuran dengan XRD untukmemeriksa struktur kristalnya dan diperoleh informasibahwa rasa amorf merupakan rasa dominan sehingga

sampel dapat diperlakukan sebagai overquench rib-bons. Kinetika kristalisasi dilakukan denganmenggunakan DSC Shimadzu TA-50. Sampeldiletakkan dalam krusibel quartz dan dipanaskansampai temperatur 700 °C dengan berbagai lajupemanasan untuk mendapatkan sederetan kurvakristalisasi. Selama proses pemanasan, gas argondialirkan dengan laju aliran 20 ml/detik untukmenghindari oksidasi. Perlakuan khusus daTitemperatur 500 °C sid 700 °C dilakukan untukmendapatkan baseline kurva yang rata. Untuk itusampel dipanaskan secara cepat dengan laju 50 K/meRit sampai temperatur 500 °C dan ditahan selama1 meRit. Setelah itu pe-manasan dilanjutkan sampaitemperatur 700 °C untuk mendapatkan puncakkristalisasi dengan berbagai laju pemanasan dari 10 K/meRit sid 50 K/menit.

Pita-pita paduan Nd-(Fe,Co)-B mengandungrasa amorf kemudian dianil untuk menjalani proseskrista-lisasi. Proses kristalisasi dilakukan denganmemanaskan sampel didalam furnace opadatemperatur700°C untuk waktu anill0 meRit -30 meRit. Oksidasidihindari dengan memasukkan potongan pita-pitapaduan kedalam kapsul quartz yang divakum sampai-10.5 torr dan diisi dengan gas argon murni dengantekanan parsial -0,3 atm. Proses ini menghasilkanpita-pita paduan dengan struktur kristalin penuh. Fasa-rasa yang terbentuk diidentifikasi denganmenggunakan XRD Phillip PW 3710. Transisimagnetik di sekitar temperatur Curie juga dilakukandengan menggunakan DSC (Differential ScanningCalorymeter).

Gambar I. Pola difraksi sinar x paduan Nd.o(Fe.-Co')84B. untuk x=0, a) tanpa anil dan b)anil700 'C selama 10 menit

HASH.. DAN PEMBAHASAN Tabel 1 Temperatur Curie, T, pita magnetiksetelah di anil 700'C

No To:

~304403

405

waktu ani I(mellit)

xFasa Yang Terbentuk daD Efek Substitusi Cobalt.

Pola difraksi sinal x untuk pita paduan denganx = 0 diberikan pada Gambar 1. Seperti terlihat padaGambar I, sebelum menjalani proses anil, rasa amorfmerupakan rasa yang dominan dan setelah pita paduan

1 ! 0,02 I o~i-

1010

30

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998

signifikan dengan bertambahnya konsentrasi Co yaitudari 304.C untuk x = 0 menjadi -650 .C untuk x = 0,5

[9]. Ternyata temperatur Curie juga meningkat dengansemakin lamanya waktu anil seperti terlihat pada TabelI. Untuk paduan dengan x = 0,1 , terjadi peningkatan T c

daTi 403 °C menjadi 405 °C setelah dianil padatemperatur 700 .C selama 10 dan 30 meDii. Hal iDimemperkuat dugaan bahwa aniling yang dilakukan padatemperatur 700 .C disamping telah menyebabkankristalisasi rasa amon, juga substitusi atom-atom Fe olehatom-atom Co yang terlihat memerlukan waktu untukmencapai substitusi total, karena kenaikan T c berkaitanerat dengan jumlah konsentrasi atom Co di dalam rasaulama 2/14/1.

dengan T, adalah temperatur awal transfonnasi dan t =-waktu.Augis dan Bennett juga mengusulkan bahwa konstantan dalam persamaan Avrami, yaitu pada pers (3):

x=I-expktn (3)dengan x adalah fraksi rasa yang bertransforrnasi, dapatditumnkan dari lebar setengah puncak (Dt)m dengan

menggunakan persamaan (4), yaitu

2,5 T}n = (A('f;;{E JR1 ( 4 )

dengan n adalah konstanta Avrami dan daD (Dt)l/2adalah lebar setengah puncak kristalisasi.

Secara umum untuk setiap laju pemanasan f3, Tp

dan T puncak endoterrnis kristalisasi paduan kom-posisi ~ = 0, I lebih rendah dibandingkan dengan paduankomposisi x = 0 (Iihat Gambar 3).Hal ini menunjukkan

bahwa paduan dengan kandungan Co lebih mudahterkristalisasi dibandingkan paduaan bebas Co. D~persamaan (1) yakni dengan memplot In (f3/r J versusII T dapat diketahui nilai E daD n. Untuk keduakom(,osisi paduan berbeda y~g dipelajari, grafik In(f3/r) vs l/r. diberikan pada Gambar 4 dan sesuaiharapan grJik berupa suatu garis lurus, dengandemikian slope dari grafik adalah energi aktivasi mate-rial uji. Eksponen n pada persamaan Avrami ditentukandengan menggunakan persamaan (4). Pararneterkinetikakristalisasi untuk kedua jenis paduan yang dipelajari inidiringkas pada Tabel 2.Dari Tabel 2 tersebut, niIai energiaktivasi Eo untuk paduan komposisi x=:O adalah 272,7kl I mollebih tinggi bila dibandingkan dengan paduankomposisi x = 0,1 yaitu 233,7 kllmol. Hasil ini me-

nunjukkan bahwa paduan magnetik yang bebas Colebih stabil dibandingkan dengan paduan magnetikyang mengandung Co. Dengan perkataan lain, kon-

Kinetika Kristalisasi

Analisis kinetik untuk kedua komposisi paduandiperoleh dengan menggunakan metode Kissinger [10].Metode ini memungkinkan penentuan energi aktivasi Eodari serangkaian laju pemanasan yang berbeda-beda dancukup lama pada saat transfonnasi tetjadi. Contoh kwvaeksotermis kristaiisasi untuk paduan bebas Co (x = 0)

dengan laju pemanasan 30 Klmenit dan 40 Klmenitdiberikan pada gambar 2. Temperatur puncak, Tp dantemperatur onzet To didefinisikan pada gambar tersebut.

.CO 4 0 ~ r.~¥~}.-

._-0

~--

't3:~~~-c:=

*c:>

5--

-"'.

~

--- c

~

.-r. -'::'~~ .a.. ~~;-~. ..~.

Gambar 2. Kurva kristalisasi untuk x=O dengan lajupemanasan 30 Klmin & 40 Klmin

~ X~O

-6- x -0.1

Dengan memodffikasi metode ini, Augis dan Bennet [11]memperlihatkan bahwa kristalisasi rasa gelas untuksetiap T p dan To berlaku persamaan (1) :

10(1- ) = 1ov-~ (1)T p,. RT p,.

dengan 13 = laju pemanasan; Eo = Energi aktivasi ;n = faktor frekuensi dan R = Konstanta gas universal.

Konstanta laju reaksi k diberikan pada persamaan (2)

[11]:

~.-0 a> .() ~

(MiMi)Gambar 3. Grafik T terhadap laju pemanasan, 13

pTampak untuk setiap 13, T (x=O, 1) <

pT (x=O)

p(2)

107

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN1410-2897

1.126;a;,1.1E& 1.~ 1.1~ ,.~-1

tersebut memungkinkan inhomogenitas di dalampaduan meningkat sehingga energi aktivasi yangdiperlukan untuk bemukleasi membentuk rasa kristalinsernakin kecil.

x -0.1-2

-3

...S

-.

1

-Go

i.5

KESIMPULAN

Studi kinetika kristalisasi paduan magnetikNdto(Fet-xCox)s4B6 dengan menggunakan DSC me-nunjukkan bahwa paduan tanpa Co (x = 0) lebih stabil

terhadap kristalisasi dibandingkan dengan paduandengan substitusi Co(x = 0,1). Pada awal pembentukan

rasa utama Nd2(Fe,Co)14B tidak seluruh Co terkandungdalam paduan menggantikan posisi atom-atom Fe rasautama. Mekanisme pembentukan rasa utamaNd2(Fe,Co)t4B merupakan transformasi rasa yangdikontrol oleh proses difusi dengan laju nukleasikonstan.

..VY'(KJ.'

Gambar 4. Grafik Ln (bff.> vs Iff.

sentrasi Co dalam paduan magnetik Nd1o{Fel-xCox)84B6akan mempennudah proses kristalisasi. Hasil ini jugatidak berbeda jauh dengan penelitian yang dilakukanoleh A. Jha ., Davies dan Buckley [11] untuk paduanNd-Fe-B berkadar boron rendah (4,8 at. %) yaitu 242kJ/mol dan berkadar boron tinggi (7,78 at. %) yaitu 307kJ/mol. Sebaliknya nilai konstanta Avrarni rata-ratauntuk paduan komposisi x =0 yaitu 2,35 lebih rendahhila dibandingkan dengan paduan komposisi x = 0,1

yaitu 2,49.

UCAPAN TERIMA KASm

Penulis mengucapkan terima kasih kepadaDewan Riset Nasional di bawah proyek Riset UnggulanTerpadu (RUT) IV No. 165/SP/RUT/BPPT/IV/96 atasdibiayainya sebagian penelitian ini. Penulis jugaberterima kasih kepada RCMS-UI atas fasilitas DSCdaD XRD yang disediakan.

Tabel 2. Nilai energi aktivasi E"daD konstanta Avrami n

faktorfrekuensi n,

x=OE.,

klimat

~E.,

kJ/mol\3 n V

.1S

V-I

SDAFfAR PUSTAKA

[1]. H.A. DAVIES. A. MANAF. M. LEONOWICZ.S.J. DOBSON andR.A. BUCKLEY../: Matel: Eng.Perf. 2 (1993). pp. 579 -587

[2]. I. PANAGIOTOPOULUS. L.WHlTANAWASAN. A.S. MURTHY and G.C.HADJIPANAYIS. ./: Appl. Physics.. 79 (1996).4827

[3]. J.M. Y AO. T.S. CHIN and S.K. CHEN../: Appl.Phys.. 76 (1994).7071

[4]. L. WITHANAWASAN. A.S. MURPHY and G.C.HADJIPANAYlS.J. Appl. Phys.. 76 (1994). 7065

[5] R. SKOMSKI and J.M.D. COEY. IEEE Irans.Magn., (1993).2860

[6]. M. SAGAWA. S. FUJIMURA. N. TOGAWA. H.HAMAMOTO and Y. MATSUUMARA.. J. Appl.Phys.. 55(1.984) 2083

[7]. J.l. CROAT, J.F. HERBST. R. W. LEE and F.E.PINKERTON. J. Appl. Phys..55 (1984). 2078

[8]. A. MANAF. M. LEONOWICZ. B.A. DAVIES andR.A. BUCKLEY. Materials Letters. 13. 194-198(1992)

[9]. D. TRlYONO. A. MANAF. Prosiding PerternuanIlrniah SainsMateri 11.75-78 (1997)

[10]. H.E. KISSINGER, Analyt. Chern. 29 (1957) 1702[II}. A. JHA. H.A. DAVIES andR.A. BUCKLEY..J.

Magn. Magn. Mater. 80 (1989) pp. 109-1.14[12]. C.N.R. RAO and K.J. RAO., Phase Transitions

10 2,S7 .20 2,2430 2,3240 2,2SSO 2,3S

2,3Sn %

0,13

~2,5434 2,65

2,342,442,49

-:I:

0,11

272,7 233,7 29

NiJai konstanta Avrami n menenbJkan mekanismenukleasi yang mungkin terjadi. Menurut Rao [12],transfonnasi rasa yang dikontrol oleh proses difusi, nilain =2,5 menunjukkan pertumbuhan rasa baru disebabkanoleh partikel-partikel yang remukleasi pada laju konstan.

Dengan perkataan lain, pembentukan rasa kristalinNd2(Fe,Co).4B merupakan transformasi rasa yangdikontrol oleh proses difusi (diffusion controlled trans-formation) dengan laju pertumbuhan daD nukleasikonstan. Pada umumnya, konstanta Avrami untuktransformasi rasa amorf menjadi rasa kristalin adalahn» 3 [13]. Dibandingkan dengan nilai konstanta Avrnmi

yang diperoleh pada paduan magnetik Nd1o(Fe.-xCox)84B6 yaitu n » 2,5 , maka kemungkinan paduantersebut tidak seluruhnya amorf, tetapi sebagian kecilmerupakan rasa kristalin. Diduga pembentukan rasautama kristalin Nd2(Fe,Co).4B diawali denganpresipitat a-Fe di dalam rasa ulama tersebut sehinggaproses nukleasi yang terjadi adalah nukleasi heterogen.Dengan penambahan unsur Co pada paduan magnetik