Qualifizierung von weichmagnetischen Stählen für die Herstellung von Aktuatoren und Sensoren

In der Automobilindustrie steigen die Qualitätsanforderungen an weichmagnetische Stähle, die für die Herstellung verschiedener Komponenten für Aktuatoren, Sensoren oder elektrische Maschinen verwendet werden, stetig an. Ein häufiges Beispiel ist das Magnetventil, das im Allgemeinen sowohl als Aktuator als auch als Sensor eingesetzt werden kann. Magnetventile sind in der Automobilindustrie weit verbreitet, d. h. sie sind ein Teil des Bewegungs- oder Steuermechanismus, der eine schnelle und effiziente Umwandlung elektromagnetischer Energie in mechanische Energie oder umgekehrt ermöglicht. Um eine effiziente Umwandlung und Funktion zu erreichen, werden weichmagnetische, permeable Stähle als Basismaterial benötigt. Zur Erfüllung der Anforderungen an die Effizienz, müssen die Lieferanten von weichmagnetischem Stahl und die Hersteller von Komponenten ihre Basiswerkstoffe (z. B. ferritischer Edelstahl) mit vorgegebenen ferromagnetischen Eigenschaften qualifizieren.

Was sind die wichtigsten ferromagnetischen Eigenschaften?

Die ferromagnetischen Eigenschaften, die bei der Qualifizierung weichmagnetischer Werkstoffe berücksichtigt werden, werden in der Regel durch die magnetische Gleichstrom-Hysteresekurve dargestellt. Die Hysteresekurve umfasst unter anderem einzelne physikalische Größen wie Koerzitivfeldstärke (HcJ), magnetische Sättigungspolarisation (JS) und relative Permeabilität (μr).

                 Abbildung Hysteresekurve

Die relative Permeabilität stellt einen wichtigen Parameter zur Charakterisierung der "magnetischen Weichheit" ferromagnetischer Materialien dar. Die relative Permeabilität µr ist proportional zum B/H-Verhältnis und zeigt die Steilheit der Anfangskurve im B(H)-Diagramm an. Sie charakterisiert, wie dynamisch effizient ein bestimmtes Material in einem dynamischen Magnetisierungsprozess agiert. Je höher die relative Permeabilität µr ist, desto schneller können die Komponenten (aus diesem Material) im elektromagnetischen System magnetisiert werden, was zur Steigerung der Dynamik des Systems beiträgt.

Die relative Permeabilität µr ist kein konstanter Parameter für ferromagnetische Materialien und hängt von der Größe der angelegten magnetischen Feldstärke (H) ab. Daher ist es nicht ungewöhnlich, dass der Einfachheit halber oft nur der Maximalwert der relativen Permeabilitätskurve (μrmax) betrachtet wird.

Abbildung der relativen Permeabilität in Abhängigkeit von H für zwei Probentypen

Die relative Permeabilität kann sich bei der Herstellung weichmagnetischer Werkstoffe, d. h. nach dem Ziehen, Walzen, Schleifen und Glühen, stark verändern. Bei nicht rostenden Stählen wie 1.4105 oder 1.4106, die in der Automobilindustrie häufig für die Herstellung von Aktuatoren oder Sensoren verwendet werden, kann der Wert von μrmax je nach Bearbeitung oder Wärmebehandlung zwischen 700 und 1800 variieren.

Verfahren des offenen Magnetkreises und KOERZIMAT J-H

Eine der häufigsten Formen der gelieferten weichmagnetischen Stähle sind Rundstäbe oder rechteckige Bleche. Für die Messung von μrmax suchen sowohl die Stahllieferanten als auch die Abnehmer nach einem präzisen Messgerät, das jedoch einfach funktioniert und keine aufwändige Probenvorbereitung erfordert. Die Hysteresekurve kann zeit- und ressourceneffizient mit der Methode der Magnetisierung im offenen Magnetkreis gemessen werden. Der Vorteil dieser Methode ist, dass keine zusätzliche mechanische Anpassung und Vorbereitung (z.B. Schleifen, Einspannen) erforderlich ist, sondern nur vorgegebene Maße der Probe eingehalten werden müssen.

Abbildung mit KOERZIMAT J-H Technologie

Basierend auf dieser Methode hat FOERSTER zur Prüfung von weichmagnetischen Rundstäben und Blechen das Messsystem KOERZIMAT 1.097 J-H entwickelt. Das KOERZIMAT J-H System ermöglicht die Messung der kompletten Hysterese schleife. Dieses System ermöglicht die Messung der Hysteresekurve und der relativen Permeabilität ohne zusätzliche mechanische Anpassung und Belastung der zu prüfenden Probe.

Für die Messung wird die Probe in die Messspule des Probenhalters eingelegt, der dann in der Spule platziert wird. Die Konstruktion gewährleistet, dass die Probe zentrisch im homogenen Bereich der Feldspule platziert wird. Vor dem Start der Messung wird die Probe entmagnetisiert. Die anschließende Hysterese-Messung wird durch den KOERZIMAT Controller gesteuert. Dieser sorgt für ausreichend lange Messzeiten, um Nebeneffekte durch Wirbelströme zu vermeiden, und ermöglicht Hysterese-Messungen bis zu 100 kA/m.

Abbildung mit KOERZIMAT J-H Gerät

Hysterese-Messungen in einem offenen magnetischen Kreis werden durch Entmagnetisierungseffekte beeinflusst, die mathematisch korrigiert werden können. Die Entmagnetisierungskorrektur wird von der J-H-Software automatisch über die Berechnung der flussmetrischen Entmagnetisierungsfaktoren durchgeführt; die Messergebnisse werden in Form der "wahren", gescherten Hysterese angezeigt.

Welche Materialien können gemessen werden?

Der KOERZIMAT J-H ist für weichmagnetische Materialien ausgelegt und kann eine Hysteresekurve mit einer maximalen Feldstärke von 100 kA/m messen. Die Anwendung der implementierten Entmagnetisierungskorrektur zeigt eine gute Übereinstimmung mit standardisierten Messungen und Literaturdaten im Permeabilitätsbereich von 100 - 4000.

Englisches Youtube-Video für KOERZIMAT J-H