DE102017216982A1

DE102017216982A1 - Monolithische eisenbasierte Abschirmprodukte

Info

Publication number: DE102017216982A1
Application number: DE102017216982.6A
Authority: DE
Inventors: Daniel Nierhoff; Philipp Szary; Thorsten Umbach; Vanessa Wieschella; Marcel Wille
Original assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG; ThyssenKrupp AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG; ThyssenKrupp AG
Priority date: 2017-09-25
Filing date: 2017-09-25
Publication date: 2019-03-28
Also published as: EP3688204A1; WO2019057798A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektromagnetische Strahlung, dynamische oder statische elektrische und/oder dynamische oder statische magnetische Felder abschirmendes, monolithisches Material, ein Verfahren zur Abschirmung von elektromagnetischer Strahlung, dynamischen oder statischen elektrischen und/oder dynamischen oder statischen magnetischen Feldern, sowie die Verwendung des erfindungsgemäßen Materials zur Abschirmung von elektromagnetischer Strahlung, dynamischen oder statischen elektrischen und/oder dynamischen oder statischen magnetischen Feldern.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektromagnetische Strahlung, dynamische oder statische elektrische und/oder dynamische oder statische magnetische Felder abschirmendes, monolithisches Material, ein Verfahren zur Abschirmung von elektromagnetischer Strahlung, dynamischen oder statischen elektrischen und/oder dynamischen oder statischen magnetischen Feldern, sowie die Verwendung des erfindungsgemäßen Materials zur Abschirmung von elektromagnetischer Strahlung, dynamischen oder statischen elektrischen und/oder dynamischen oder statischen magnetischen Feldern.
Technischer Hintergrund
Die Beeinflussung aufgrund von elektromagnetischer Strahlung, dynamischen oder statischen elektrischen und/oder dynamischen oder statischen magnetischen Feldern wird als die Einwirkung von elektromagnetischen Größen auf Stromkreise, Geräte, Systeme und Lebewesen beschrieben. Diese Beeinflussung kann eine reversible oder irreversible Beeinträchtigung bewirken, die zu einer nicht tolerierbaren Fehlfunktion von Geräten und Systemen führen kann. Eine Beeinflussung liegt vor, wenn von einer Störquelle (Sender) Feldenergie über eine Kopplung zu einer Störsenke (Empfänger) gelangt und dort zu einer Funktionsminderung bis hin zu einer Zerstörung führt. Störquellen können als natürliche oder künstlich erzeugte Quelle zur absichtlichen oder unabsichtlichen Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung, dynamischen oder statischen elektrischen und/oder dynamischen oder statischen magnetischen Feldern führen.
In der modernen Industrie, in der Energieversorgung und in der Automobilbranche nimmt die Anzahl von elektronischen Geräten, insbesondere auch mit steigenden Betriebsfrequenzen, stetig zu. Eine Beeinträchtigung der elektrischen Geräte untereinander lässt sich heute kaum noch durch räumliche Trennung oder konstruktive Änderungen erreichen, da der Trend ebenfalls immer weiter zur Miniaturisierung von Geräten und Bauelementen geht. Um eine elektromagnetische Verträglichkeit zwischen elektrischen Geräten oder Störquellen und der Umwelt sicherzustellen, werden darum üblicherweise Abschirmungen als wirksame Gegenmaßnahme eingesetzt.
Typische Schirmmaterialien zur Behandlung statischer oder niederfrequenter magnetischer Felder sind in der Regel Eisenlegierungen, deren Haupteigenschaften eine möglichst hohe magnetische Permeabilität und Sättigungsflussdichte bei gleichzeitig geringer Koerzitivfeldstärke und Remanenzflussdichte sind. Bekannte abschirmend wirkende Materialien enthalten insbesondere bei hohen Anforderungen an die Abschirmeigenschaften einen hohen Anteil Nickel und sind somit sehr kostenintensiv. Sie verfügen darüber hinaus in der Regel nur über geringe mechanische Festigkeiten und ohne zusätzliche Oberflächenbehandlung nur über eine geringe mechanische Beständigkeit gegenüber korrosiven Medien.
Es besteht somit die Aufgabe, entsprechend abschirmend wirkende Materialien zur Verfügung zu stellen, die eine vorteilhafte Kombination von guten mechanischen Eigenschaften, guter Korrosionsbeständigkeit und guten Abschirmeigenschaften aufweisen. Insbesondere werden entsprechende Materialien zur Verwendung in der zunehmenden Elektrifizierung im Automobil benötigt.
Gelöst werden diese Aufgaben durch das erfindungsgemäße elektromagnetische Strahlung, dynamische oder statische elektrische und/oder dynamische oder statische magnetische Felder abschirmende, monolithische Material, mindestens enthaltend (jeweils in Gew.-%):

0,001 bis 2,1 C,
0,001 bis 30,00 Mn,
0,001 bis 8,00 Si,
0,01 bis 4,00 Al,
0,001 bis 1,00 Cr,

Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen, wobei es einen Schirmfaktor S(v) von 25,00 bis +120,00 dB bei einem dynamischen, magnetischen Feld oder einem dynamischen, elektromagnetischen Feld mit einer Frequenz v von 0,1 bis zu 1000 kHz aufweist, wobei der Schirmfaktor S(v) aus dem Quotient der Feldstärke gemessen am Ort der Senke mit bzw. ohne zwischen Senke und Quelle befindlichem abschirmendem Material bestimmt wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft bevorzugt das erfindungsgemäße Material, wobei der Schirmfaktor S(v) durch Detektion der Spannung U₂(ν) in einer zweiten Spule, die durch einen Strom I₁(ν) in einer ersten Spule induziert wird, während sich eine Probe des abschirmenden monolithischen Materials zwischen der ersten und der zweiten Spule befindet und sich die Spulen in einem Abstand von höchstens 40 mm befinden, ermittelt wird.
Weiter bevorzugt betrifft die vorliegende Erfindung das erfindungsgemäße Material, wobei Schirmfaktor S(v) nach der Gleichung der Formel (I) $S (ν) = 20 \cdot l o g_{10} (\frac{I_{1} (ν) U_{20} (ν)}{U_{2} (ν) I_{10} (ν)}) d B$
bestimmt wird, wobei U₂(ν) die in der zweiten Spule induzierte Spannung, I₁(ν) der in der ersten Spule fließende Strom und I₁₀(ν) der Strom in der ersten Spule und U₂₀(ν) die Spannung in der zweiten Spule, jeweils ohne eingebrachte Probe, sind.
Das erfindungsgemäße Material weist die oben genannten Legierungselemente auf.
Kohlenstoff (C) liegt in einer Menge von 0,001 bis 2,1 Gew.-%, bevorzugt 0,001 bis 0,800 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,002 bis 0,700 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt 0,002 bis 0,650 Gew.-%, vor.
Mangan (Mn) liegt in einer Menge von 0,001 bis 30,00 Gew.-%, bevorzugt 0,01 bis 25,00 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,1 bis 23,00 Gew.-%, vor.
Silizium (Si) liegt in einer Menge von 0,001 bis 8,00 Gew.-%, bevorzugt 0,001 bis 4,00 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,01 bis 3,5 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt 0,02 bis 3,4 Gew.-%, vor.
Aluminium (AI) liegt in einer Menge von 0,01 bis 4,00 Gew.-%, bevorzugt 0,01 bis 2,00 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,02 bis 1,8 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt 0,02 bis 1,6 Gew.-%, vor.
Chrom (Cr) liegt in einer Menge von 0,001 bis 1,00 Gew.-%, bevorzugt 0,01 bis 0,5 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,01 bis 0,4 Gew.-%, vor.
Neben den genannten Legierungselementen kann das erfindungsgemäße abschirmende Material ein oder mehrere Legierungselemente aus der folgenden Gruppe enthaltend As, B, Cu, Ni, Mo, Ti, V, S, P und Sn aufweisen. Die vorliegende Erfindung betrifft daher bevorzugt das erfindungsgemäße Material, wobei es zusätzlich wenigstens ein Legierungselement ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus As, B, Cu, Ni, Mo, Ti, V, S, P und Sn enthält.
Wenn die genannten zusätzlichen Legierungselemente vorliegen, so liegen sie weiter bevorzugt in den im Folgenden genannten Mengen vor:

0 bis 0,01, bevorzugt 0,001 bis 0,004 Gew.-% As und/oder
0,001 bis 0,005 Gew.-% B und/oder
0,01 bis 0,07 Gew.-% Cu und/oder
0 bis 0,3, bevorzugt 0 bis 0,01 Gew.-% Mo und/oder
0,001 bis 0,5, bevorzugt 0,001 bis 0,3 Gew.-% Ti und/oder
0 bis 0,5, bevorzugt 0,001 bis 0,2 Gew.-% V und/oder
0 bis 0,5, bevorzugt 0,001 bis 0,2 Gew.-% P und/oder
0,001 bis 0,05 Gew.-% S und/oder
0,001 bis 0,01 Gew.-% Sn.

Unvermeidbare Verunreinigungen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind beispielsweise O, N, Nb oder Sb.
Das erfindungsgemäße Material weist in einer bevorzugten Ausführungsform ein Gefüge enthaltend 0 bis 100 Gew.-%, bevorzugt 5 bis 95 Gew.-%, Ferrit, 0 bis 95 Gew.-%, bevorzugt 0 bis 60 Gew.-%, Bainit, 0 bis 20 Gew.-%, bevorzugt 5 bis 20 Gew.-% Perlit, 0 bis 100 Gew.-%, bevorzugt 3 bis 35 Gew.-%, Martensit oder bis zu 100 Gew.-% Martensit, 0 bis 20 Gew.-%, bevorzugt 2 bis 15 Gew.-%, Restaustenit und ggf. Karbide, wobei die jeweils Summe 100 Gew.-% ergibt, auf. Diese bevorzugten Gefüge tragen dazu bei, dass das das erfindungsgemäße Material besonders gute mechanische Eigenschaften, insbesondere Streckgrenze, Duktilität, Zugfestigkeit und/oder Bruchdehnung aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das erfindungsgemäße Material kein austenitisches Gefüge. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet dies, dass das erfindungsgemäße Material ein Gefüge aufweist, dass bevorzugt weniger als 8 Gew.-% Austenit, besonders bevorzugt weniger als 5 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt weniger als 2 Gew.-%, enthält. Die Abwesenheit von Austenit ermöglicht die erfindungsgemäßen guten Abschirmeigenschaften. Es wurde überraschenderweise gefunden, dass das Vorhandensein von Austenit die Abschirmeigenschaften verschlechtert, so dass bevorzugt möglichst kein Austenit in dem erfindungsgemäßen Material vorliegt.
Das erfindungsgemäße Material weist beispielsweise eine Streckgrenze von 100 bis 1400 MPa auf.
Das erfindungsgemäße Material weist beispielsweise eine Zugfestigkeit von mindestens 200 MPa, bevorzugt wenigstens 400 MPa, besonders bevorzugt mindestens 750 MPa, auf.
Das erfindungsgemäße Material weist beispielsweise eine Bruchdehnung A80 von 2 bis 45% auf.
Weiter bevorzugt weist das erfindungsgemäße Material eine Korngröße von 2 bis 200 µm, bevorzugt 2 bis 100 µm, insbesondere bevorzugt 5 bis 30 µm, auf. Diese erfindungsgemäß bevorzugte Korngröße trägt beispielsweise dazu bei, um die magnetischen Eigenschaften zu verbessern.
Das erfindungsgemäße Material kann in allen dem Fachmann für die jeweilige Anwendung als geeignet erscheinenden Abmessungen verwendet werden. Beispielsweise liegt das erfindungsgemäße Material als Blechhalbzeug, beispielsweise als Coil, Blech, Tafel, Platine etc., vor.
Das erfindungsgemäße Material kann des Weiteren in alle dem Fachmann bekannten Formen gebracht werden, um als Abschirmung verwendet zu werden. Dabei ist es möglich, dass entsprechende Abschirmungen aus dem erfindungsgemäßen Material einstückig ausgebildet werden. Es ist erfindungsgemäß auch möglich, dass eine entsprechende Abschirmung aus mehreren Teilen aufgebaut wird, wobei alle oder ein Anteil der vorhandenen Teile aus dem erfindungsgemäßen Material gebildet werden können. Verfahren zum Umformen des erfindungsgemäßen Materials und Verfahren zum Verbinden der einzelnen Teile sind dem Fachmann bekannt.
Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Materials sind dem Fachmann an sich bekannt, beispielsweise umfassen diese die Schritte Herstellen einer Schmelze mit der entsprechenden Zusammensetzung, Herstellen von Brammen, Warmwalzen der Brammen um ein Flachstahlprodukt zu erhalten, gegebenenfalls Beschichten der Oberfläche des Flachstahlprodukts, gegebenenfalls Kaltwalzen. Erfindungsgemäß können zusätzlich weitere Wärmebehandlungsschritte, insbesondere ein Erholungsglühen, und/oder Oberflächenbehandlungsschritte erfolgen.
Das erfindungsgemäße Material zeichnet sich durch besonders gute Abschirmeigenschaften aus.
Das erfindungsgemäße Material weist einen Schirmfaktor S(v) von 25,00 bis +120,00 dB, bevorzugt 30,00 bis 120,00 dB bei einem dynamischen, magnetischen Feld oder einem dynamischen, elektromagnetischen Feld mit bei einer Frequenz v von 0,1 bis 1000 kHz, bevorzugt 0,1 bis 400 kHz, insbesondere bevorzugt 0,1 bis 200 kHz, auf.
Der Schirmfaktor S(v) wird bevorzugt ermittelt, indem die Spannung U₂(ν) in einer zweiten Spule, die durch einen Strom I₁(ν) in einer ersten Spule induziert wird, gemessen wird, während sich eine Probe des abschirmenden monolithischen Materials zwischen der ersten und der zweiten Spule befindet und sich die Spulen in einem Abstand von höchstens 40 mm befinden.
Besonders bevorzugt wird der Schirmfaktor S(v) nach der Gleichung der Formel (I) $S (ν) = 20 \cdot {log}_{10} (\frac{I_{1} (ν) U_{20} (ν)}{U_{2} (ν) I_{10} (ν)}) dB$
bestimmt, wobei U₂(ν) die in der zweiten Spule induzierte Spannung, I₁(ν) der in der ersten Spule fließende Strom und I₁₀(ν) der Strom in der ersten Spule und U₂₀(ν) die Spannung in der zweiten Spule, jeweils ohne eingebrachte Probe, sind.
Weiter bevorzugt wird die Schirmdämpfung S(v) des erfindungsgemäßen Materials durch ein Verfahren bestimmt, mindestens umfassend die folgenden Schritte:

(A) Bereitstellen einer ersten Spule S1 mit einer ersten Induktivität L1, die mit einem ersten Signalgenerator SG1 und einer Einrichtung zur Strommessung I₁(ν) zu einem ersten Stromkreis verbunden ist,
(B) Bereitstellen einer zweiten Spule S2 mit einer zweiten Induktivität L2, die mit einer Einrichtung zur Spannungsmessung U₂(ν) zu einem zweiten Stromkreis verbunden ist, wobei die Spulen S1 und S2 räumlich so zueinander angeordnet sind, dass sie auf der gleichen Rotationsachse liegen und zwischen ihnen ein Freiraum ausgebildet wird,
(C) Einbringen einer Probe des erfindungsgemäßen Materials in den Freiraum,
(D) Generierung einer sinusförmigen Spannung mit einer Frequenz v von 0,1 bis 1000 kHz durch den ersten Signalgenerator SG 1 in der ersten Spule S1,
(E) Messen der Stromstärke I₁(ν) im ersten Stromkreis,
(F) Messen der Spannung U₂(ν) im zweiten Stromkreis,
(G) Bestimmen des Schirmfaktors S(v) über die Gleichung der Formel (I) $\begin{matrix} (H) & S (ν) = 20 \cdot {log}_{10} (\frac{I_{1} (ν) U_{20} (ν)}{U_{2} (ν) I_{10} (ν)}) dB \end{matrix}$
wobei I₁₀(ν) der Strom im ersten Stromkreis und U₂₀(ν) die Spannung im zweiten Stromkreis, jeweils ohne eingebrachte Probe, sind.

Schritt (A):
Schritt (A) umfasst das Bereitstellen einer ersten Spule S1 mit einer ersten Induktivität L1, die mit einem ersten Signalgenerator SG1 und einer Einrichtung zur Strommessung zu einem ersten Stromkreis verbunden ist.
Zunächst wird eine Spule S1 mit einer Induktivität L1 bereitgestellt. Bevorzugt werden als Spule S1 entsprechende Spulen mit 1 bis 100, bevorzugt 15 bis 30 Wicklungen eingesetzt. Weiter bevorzugt liegen diese Wicklungen auf einem Ring aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Kunststoff, insbesondere Polyamid, vor. Der Durchmesser der Spule S1 beträgt dabei bevorzugt 60 bis 80 mm. Die Wicklung der Spule S1 ist bevorzugt aus einem elektrisch leitfähigen Draht, insbesondere einem Litzendraht aus Kupfer ausgeführt. Weiter bevorzugt ist der elektrisch leitfähige Draht an der Außenseite elektrisch isoliert, beispielsweise durch eine elektrisch isolierende Kunststoffbeschichtung. Die Länge des Drahtes, aus dem die Wicklung der ersten Spule S1 aufgebaut ist, beträgt erfindungsgemäß bevorzugt 3 bis 7 m. Die Spule S1 weist eine Induktivität L1 von beispielsweise 4 · 10^-2 bis 1,5 · 10³ µH, bevorzugt 30 bis 60 µH, auf.
Die Spule S1 kann im Allgemeinen auf jede mögliche Art angeordnet sein. Bevorzugt ist die Spule S1 so angeordnet, dass die Wicklungsebene parallel zum Erdboden oder einer Tischplatte, auf der die Vorrichtung aufgebaut wird, ausgerichtet wird.
Des Weiteren wird erfindungsgemäß ein erster Signalgenerator SG1 eingesetzt. Dieser Signalgenerator SG1 wird erfindungsgemäß dazu verwendet, in der ersten Spule S1 ein magnetisches Feld mit einer Frequenz v (Messfrequenz) zu erzeugen. Erfindungsgemäß kann jeder dem Fachmann bekannte Signalgenerator eingesetzt werden, der dazu geeignet ist, eine entsprechende Frequenz zu erzeugen, beispielsweise ein „Virtual Bench“ der Fa. National Instruments.
Durch den Signalgenerator SG1 wird bevorzugt eine Frequenz v von 0,1 bis 200 kHz, beispielsweise 0,1 kHz, 0,2 kHz, 0,5 kHz, 1,0 kHz, 2,0 kHz, 5,0 kHz, 10,0 kHz, 20,0 kHz, 50,0 kHz, 100,0 kHz oder 200 kHz, erzeugt.
Des Weiteren liegt in dem ersten Stromkreis eine Einrichtung zur Strommessung vor. Geeignete Einrichtungen zur Strommessung sind dem Fachmann an sich bekannt, beispielsweise eine Chauvin Arnoux Ma 200 Stromzange. Insbesondere bevorzugt wird ein Oszilloskop eingesetzt.
In dem ersten Stromkreis können weitere dem Fachmann bekannte Vorrichtungen vorliegen, beispielsweise Verstärker oder Kondensatoren zur Blindleistungskompensation.
Die im ersten Stromkreis vorhandenen Elemente, d.h. wenigstens erste Spule S1, erster Signalgenerator SG1, Einrichtung zur Strommessung und ggf. weitere Elemente sind bevorzugt in Reihe zu einem ersten Stromkreis verbunden.
Die elektrischen Verbindungen in dem ersten Stromkreis können im Allgemeinen auf alle dem Fachmann bekannte Arten ausgeführt werden. Bevorzugt werden die elektrischen Verbindungen durch Kabelverbindungen, insbesondere geschirmte BNC-Verbindungen, ausgeführt.
Schritt (B):
Schritt (B) des Verfahrens umfasst das Bereitstellen einer zweiten Spule S2 mit einer zweiten Induktivität L2, die mit einer Einrichtung zur Spannungsmessung verbunden ist, wobei die Spulen S1 und S2 räumlich so zueinander angeordnet sind, dass sie auf der gleichen Rotationsachse liegen und zwischen ihnen ein Freiraum ausgebildet wird. Im Allgemeinen können alle dem Fachmann als geeignet erscheinende Spulen eingesetzt werden. Bevorzugt werden als Spule S2 entsprechende Spulen mit 1 bis 400, bevorzugt 100 bis 200, Wicklungen eingesetzt. Weiter bevorzugt liegen diese Wicklungen auf einem Ring aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Kunststoff aus Polyamid vor. Der Durchmesser der Spule S2 beträgt dabei bevorzugt 20 bis 40 mm. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Spule eingesetzt, bei die Wicklungen um einen festen Kern, beispielsweise einen Ferritkern, gewickelt vorliegen. Die Wicklung der Spule S2 ist bevorzugt aus einem elektrisch leitfähigen Draht, insbesondere einem Kupferdraht ausgeführt. Weiter bevorzugt ist der elektrisch leitfähige Draht an der Außenseite elektrisch isoliert, beispielsweise durch eine elektrisch isolierende Kunststoffbeschichtung. Die Länge des Drahtes, aus dem die Wicklung der ersten Spule S2 aufgebaut ist, beträgt bevorzugt 1 bis 2 m.
Die Spule S2 weist eine Induktivität L2 von beispielsweise 0,2 bis 9,0 · 10³ µH, bevorzugt 200 bis 800 µH, auf. Die Induktivität L2 der Spule S2 ist dabei bevorzugt so gewählt, dass sich im zu messenden Frequenzbereich keine Resonanzen aufgrund der intrinsischen Kapazität der bevorzugt verwendeten BNC-Kabel ergeben.
Erfindungsgemäß wird die Spule S2 so angeordnet, dass die Spulen S1 und S2 räumlich so zueinander angeordnet sind, dass sie auf der gleichen Rotationsachse liegen und zwischen ihnen ein Freiraum ausgebildet wird. Dabei bedeutet „auf der gleichen Rotationsachse“, dass die beiden Spulen räumlich so zueinander stehen, dass eine gemeinsame Achse jeweils durch die Mitten der ringförmig ausgebildeten Spulen geht. Weiter bevorzugt steht diese Achse senkrecht zum Erdboden bzw. zu einer Tischplatte etc., auf der die Vorrichtung aufgebaut ist. Weiter bevorzugt ist, dass sich die Spule S1 über der Spule S2 befindet, wobei zwischen den beiden Spulen ein Freiraum ausgebildet, der so geschaffen ist, dass in ihn eine Probe des potentiell abschirmenden Materials eingebracht werden kann. Besonders beträgt der Abstand, d. h. der Freiraum, zwischen den Spulen S1 und S2 40 bis 60%, bevorzugt 45 bis 55%, beispielsweise 50%, des Durchmessers der Spule 1. Weiter bevorzugt weist der Freiraum eine Breite bzw. Höhe von 10 bis 60 mm auf.
Des Weiteren liegt in dem zweiten Stromkreis eine Einrichtung zur Spannungsmessung vor, beispielsweise durch dem Fachmann an sich bekannte Vorrichtungen, beispielsweise durch ein HAMEG HMO22 Digital Oszilsoskop.
In dem zweiten Stromkreis können weitere Elemente vorliegen, beispielsweise hochohmige Abschlusswiderstände.
Die im zweiten Stromkreis vorhandenen Elemente, d. h. wenigstens zweite Spule S2, hochohmiger Abschlusswiderstand und ggf. weitere Elemente sind bevorzugt in Reihe zu einem zweiten Stromkreis verbunden. Zur Spule S2 ist die Einrichtung zur Spannungsmessung bevorzugt parallel geschaltet.
Die elektrischen Verbindungen für die Spannungsmessung an Spule 2 können im Allgemeinen auf alle dem Fachmann bekannte Arten ausgeführt werden. Bevorzugt werden die elektrischen Verbindungen durch Kabelverbindungen, insbesondere geschirmte BNC-Verbindungen, ausgeführt.
Der erste Stromkreis und die Spannungsmessung an Spule S2 werden jeweils mittels abgeschirmter elektrischer Verbindungen, bevorzugt Kabelverbindungen, insbesondere geschirmte BNC-Verbindungen, gebildet.
Schritt (C):
Schritt (C) des Verfahrens umfasst das Einbringen einer Probe des potentiellen Abschirmproduktes in den Freiraum.
Dieser Schritt (C) kann im Allgemeinen auf alle dem Fachmann bekannte Arten erfolgen. Das Einbringen kann dabei manuell oder automatisiert erfolgen. Das Verfahren wird bevorzugt zur Messung der Abschirmeigenschaften von flachen Materialien durchgeführt, d. h. die zu überprüfenden Materialien weisen im Vergleich zu ihrer Dicke eine wesentlich größere Ausdehnung bezüglich Länge und Breite auf. Bevorzugt weist die zu untersuchende Probe eine quadratische Grundfläche auf. Weiter bevorzugt weist die Kantenlänge dieses Quadrates wenigstens den fünffachen Wert des Durchmessers der Spule 1 auf.
Bevorzugt weist die Probe eine Dicke von 0,01 bis 6 mm auf. Weiter bevorzugt ist das potentiell abschirmende Produkt ein Flachstahlprodukt, beispielsweise ein Warm- oder Kaltband bzw. daraus erhaltene Platinen.
Es ist bevorzugt, dass die zu vermessende Probe zwischen den beiden Spulen für die Messung durch dem Fachmann bekannte Verfahren, beispielsweise durch eine entsprechende fest installierte Führung im Freiraum zwischen den beiden Spulen S1 und S2, fixiert wird.
Der Abstand der Probe zu den Spulen S1 und S2 beträgt dabei bevorzugt jeweils bis zu 40 mm. Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass die zu untersuchende Probe während der Messung geerdet ist.
Schritt (D):
Schritt (D) des Verfahrens umfasst die Generierung einer sinusförmigen Spannung mit einer Frequenz v von 0,1 bis 1000 kHz, bevorzugt 0,1 bis 400 kHz, weiter bevorzugt 0,1 bis 200 kHz, durch den ersten Signalgenerator SG 1 in der ersten Spule S1.
Schritt (D) des Verfahrens erfolgt bevorzugt, nachdem die zu vermessende Probe in den Freiraum zwischen den beiden Spulen eingebracht worden ist.
Die in der Spule S1 generierte sinusförmige Spannung ist eine Wechselspannung mit einer Frequenz v von bevorzugt 0,1 bis 200 kHz, siehe dazu auch Schritt (A) des Verfahrens. Vorrichtungen und Verfahren, um eine entspreche sinusförmige Spannung entsprechender Frequenz zu generieren, sind dem Fachmann an sich bekannt, beispielsweise die „Virtual Bench“ der Fa. National Instruments. Die in Schritt (D) erzeugte Frequenz v ist eine so genannte Messfrequenz. Diese Messfrequenz wird in Spule S1 bei einer bestimmten Stromstärke I₁(ν) erzeugt. In der zweiten Spule S2 wird dann gemessen, welche Spannung U₂(ν) durch das entstehende magnetische Feld generiert wird. Durch einen mathematischen Vergleich dieser Werte in Anwesenheit der zu vermessenden Probe mit den Werten in Abwesenheit der Probe kann auf den Schirmfaktor der Probe geschlossen werden.
Schritt (E):
Schritt (E) des Verfahrens umfasst das Messen der Stromstärke I₁(ν) im ersten Stromkreis.
Vorrichtungen und Verfahren zur Messung der Stromstärke I₁(ν) im ersten Stromkreis sind dem Fachmann an sich bekannt, beispielsweise eine Chauvin Arnoux Ma 200 Stromzange. Dabei ist zu beachten, dass die Stromstärke I₁(ν) im ersten Stromkreis gemessen wird, während sich die zu vermessende Probe zwischen den Spulen S1 und S2 befindet. Die erhaltenen Messwerte können manuell vermerkt werden. Bevorzugt ist die die Vorrichtung zur Messung der Stromstärke I₁(ν) im ersten Stromkreis mit einer Datenverarbeitungsanlage verbunden, so dass die Speicherung und Verarbeitung der erhaltenen Daten elektronisch erfolgt.
Schritt (F):
Schritt (F) des Verfahrens umfasst das Messen der Spannung U₂(ν) an Spule 2.
Vorrichtungen und Verfahren zur Messung der Spannung U₂(ν) an Spule 2 sind dem Fachmann an sich bekannt, beispielsweise ein HAMEG HMO2022 Digital Osziloskop. Erfindungswesentlich ist dabei, dass die Spannung U₂(ν) an Spule 2 gemessen wird, während sich die zu vermessende Probe zwischen den Spulen S1 und S2 befindet. Die erhaltenen Messwerte können manuell vermerkt werden. Bevorzugt ist die die Vorrichtung zur Messung der Spannung U₂(ν) an Spule 2 mit einer Datenverarbeitungsanlage verbunden, so dass die Speicherung und Verarbeitung der erhaltenen Daten elektronisch erfolgt.
Schritt (G):
Schritt (G) des Verfahrens umfasst das Bestimmen der Schirmdämpfung S(v) über die Gleichung der Formel (I) $\begin{matrix} (I) & S (ν) = 20 \cdot {log}_{10} (\frac{I_{1} (ν) U_{20} (ν)}{U_{2} (ν) I_{10} (ν)}) dB \end{matrix}$
wobei I₁₀(ν) der Strom im ersten Stromkreis und U₂₀(ν) die Spannung an Spule 2, jeweils ohne eingebrachte Probe, sind.
Schritt (G) des Verfahrens wird bevorzugt mit Hilfe einer Datenverarbeitungsanlage durchgeführt. Verfahren und Vorrichtungen dazu sind dem Fachmann an sich bekannt.
Die Bestimmung von I₁₀(ν), d. h. Strom im ersten Stromkreis, und U₂₀(ν), d. h. Spannung an der zweiten Spule S2, erfolgt dabei jeweils wie in den Schritten (E) und (F) beschrieben, wobei im Unterschied keine Probe zwischen den Spulen S1 und S2 vorhanden ist.
Während der Messung wird das erfindungsgemäße Material bevorzugt in einer Dicke von 0,01 bis 6 mm, bevorzugt 0,03 bis 4 mm, eingesetzt.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher bevorzugt das erfindungsgemäße Material, wobei es während der Messung eine Dicke von 0,01 bis 6 mm, bevorzugt 0,03 bis 4 mm, aufweist.
Das erfindungsgemäße abschirmende Material kann unbeschichtet eingesetzt werden. Das erfindungsgemäße Material wird in einer bevorzugten Ausführungsform beschichtet eingesetzt. Entsprechende, insbesondere vor Korrosion schützende Beschichtungen, sind dem Fachmann an sich bekannt und sind zum Beispiel anorganische Beschichtungen wie Metalle oder Keramiken oder organische Beschichtungen auf Polymerbasis.
Bevorzugt werden metallische Beschichtungen basierend auf Zink oder Aluminium oder Zinklegierungen oder Aluminiumlegierungen in Kombination mit Silizium und/oder Magnesium eingesetzt.. Die vorliegende Erfindung betrifft daher bevorzugt das erfindungsgemäße Material, wobei es eine Oberflächenbeschichtung aufweist. Die Beschichtung kann auf das erfindungsgemäße Material im Allgemeinen nach allen dem Fachmann bekannten Verfahren aufgebracht werden, beispielsweise elektrolytische Beschichtung, Schmelztauchverfahren oder Aufdampfen. Die Beschichtung kann ein- oder beidseitig vorliegen. Wird das erfindungsgemäße abschirmende Material mit einer entsprechenden Oberflächenbeschichtung versehen und verwendet, ist es vorteilhafterweise besser gegen Korrosion geschützt.
Des Weiteren weist das erfindungsgemäße abschirmende Material auch bei erhöhten Temperaturen, beispielsweise oberhalb von 200 °C und maximal bis zu ca. 770 °C, im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Materialien eine verbesserte Abschirmung auf.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Abschirmung von elektromagnetischer Strahlung, dynamischen oder statischen elektrischen und/oder dynamischen oder statischen magnetischen Feldern, wobei die Quelle und/oder Senke zumindest teilweise mit einem erfindungsgemäßen Material umgeben werden.
Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Quelle und/oder Senke der elektromagnetischer Strahlung, des dynamischen oder statischen elektrischen und/oder dynamischen oder statischen magnetischen Feldern zumindest teilweise von dem erfindungsgemäßen abschirmenden Material zumindest teilweise umgeben. Ein teilweises Umgeben ist beispielsweise dann sinnvoll bzw. erforderlich, wenn die Quelle und/oder Senke im Betrieb erreichbar sein muss, beispielsweise durch Zu- und/oder Ableitungen und/oder zur Bedienung. Erfindungsgemäß ist es auch möglich, dass die Quelle und/oder Senke vollständig von dem erfindungsgemäßen abschirmenden Material umgeben ist. Details und bevorzugte Ausführungsformen, die zu dem erfindungsgemäßen Material genannt worden sind, sollen auch hier entsprechend angewendet werden.
Wird das erfindungsgemäße Material zum Abschirmen elektromagnetischer Strahlung eingesetzt, so weist es beispielsweise eine Dicke von 0,01 bis 600 mm, bevorzugt 0,01 bis 150 mm, besonders bevorzugt 0,01 bis 6 mm, auf.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Materials zur Abschirmung von elektromagnetischer Strahlung, dynamischen oder statischen elektrischen und/oder dynamischen oder statischen magnetischen Feldern.
Elektromagnetische Strahlung, dynamische oder statische elektrische und/oder dynamische oder statische magnetische Felder entstehen gewollt oder nicht gewollt durch die Verwendung und den Betrieb bestimmter magnetischer, elektrischer oder elektronischer Vorrichtungen.
Die vorliegende Erfindung betrifft in einer besonderen Ausführungsform die erfindungsgemäße Verwendung, wobei zusätzlich eine hohe mechanische Belastbarkeit des Materials gegeben ist, beispielsweise ausgedrückt durch eine Streckgrenze von mindestens 200 MPa, bevorzugt mindestens 400 MPa, besonders bevorzugt mindestens 750 MPa. Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist daher, dass ein Material bereitgestellt werden kann, das erfindungsgemäß bevorzugt neben einer hohen Abschirmwirkung auch gute mechanische Kennwerte aufweist.
Weiter bevorzugt betrifft die vorliegende Erfindung die erfindungsgemäße Verwendung, wobei Gebäude, insbesondere sicherheitsrelevante Gebäude, Räume, Labore, Produktionsstätten, Serverschränke, Schaltschränke, Steckerverbindungen, Halter und Gehäuse, beispielsweise für Leistungselektronik, Computer, Kommunikationselektronik, Alarmanlagen, Sicherheitstechnik, Brand- und Gasmelder, Schutzhüllen, Ladestationen, Küchengeräte, medizinische Geräte, elektronische Geräte, bevorzugt in Automobilen, elektronische Bauteile, Funkgeräte, magnetische Anwendungen, beispielsweise Permanentmagnete, elektronische Bauteile und/oder Batterien, beispielsweise nicht wieder aufladbare Batterien oder Akkumulatoren, abgeschirmt werden oder das abschirmende Material als Decken- und/oder Wandpanele, als Bodenbeläge, als Kabelkanäle, in der Messtechnik eingesetzt wird.
Figurenliste

1 zeigt eine Vorrichtung, mit der der erfindungsgemäße Schirmfaktor S(v) gemessen werden kann als nicht maßstabsgetreue Schemazeichnung.

In 1 bedeuten:

L1:: Spule 1
L2:: Spule 2
Z:: zu untersuchende Probe
I:: Strommessung
U:: Spannungsmessung
≈:: Signalgenerator

Beispiele
Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele dienen der näheren Erläuterung der Erfindung.

Erfindungsgemäße Materialien 1 bis 9 werden aus Schmelzen gemäß Tabelle 1 hergestellt und nach dem Fachmann bekannten Verfahren zu entsprechenden Blechen verarbeitet. Die Gefügezusammensetzungen der Materialien 1 bis 9 sind in Tabelle 2 dargestellt. Es werden jeweils Bleche in eine Vorrichtung gemäß 1 zur Bestimmung des Schirmfaktors S(v) eingebracht. Der Schirmfaktor S(v) wird nach dem in der Beschreibung genannten Verfahren bestimmt. Die Ergebnisse sind Tabelle 3 dargestellt. Charakteristische mechanische Kennwerte sind in Tabelle 4 dargestellt. Tabelle 1: Schmelzanalysen der erfindungsgemäßen Materialien 1 bis 8, Rest jeweils Fe und unvermeidbare Verunreinigungen

	Element
	C	Mn	Si	As	Al	B	Cr	Cu	N	Ni	Nb	Mo	P	S	Ti	V	Sn
Material-Nr.	Gewichtsanteil in der Schmelzanalyse [Gew.-%]
1	0,12	0,60	0,50	-	-	-	-	-	-	-	-	-	0,10	0,045	0,30	-	-
2	0,002	0,13	0,02	0,002	0,025	0,0004	0,026	0,013	0,002	0,021	0,001	0,003	0,009	0,008	0,071	0,001	0,002
3	0,342	1,29	0,25	0,003	0,038	0,0024	0,11	0,036	0,0047	0,034	0,003	0,014	0,011	0,0007	0,035	0,004	0,002
4	0,232	1,19	0,23	0,002	0,032	0,0025	0,14	0,02	0,0035	0,02	0,001	-	0,017	0,001	0,034	0,003	0,005
5	0,059	1,72	0,59	0,003	0,031	0,0004	0,34	0,033	0,0069	0,024	0,003	0,007	0,015	0,0005	0,11	0,004	0,011
6	0,228	1,66	0,08	0,002	1,56	0,0007	0,02	0,01	0,0015	0,02	0,001	-	0,011	0,001	0,006	0,001	0,005
7	0,094	1,4	0,14	0,002	0,034	0,0004	0,01	0,01	0,0041	0,02	0,001	0,25	0,013	0,002	0,003	0,001	0,012
V8 (Austenit)	0,6	22,0	0,2	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
9 (wie 4, gehärtet	0,232	1,19	0,23	0,002	0,032	0,0025	0,14	0,02	0,0035	0,02	0,001	-	0,017	0,001	0,034	0,003	0,005
- nicht vorhanden
V Vergleichsbeispiel

Tabelle 2: Gefügezusammensetzungen der erfindungsgemäßen Materialien 1 bis 8

	Ferrit	Perlit	Martensit	Bainit	Zementit	Restaustenit	Korngröße
Material-Nr.	[Gew.-%]						[µm]
1
2	100	-	-	-	-	-	11
3	80	-	-	-	20	-	n.b.
4	70	20	5	-	Karbide	<1	13
5	5	-	3	90	-	2	n.b.
6	80 bis 90	<5	<5	-	-	10 bis 15	13
7	60 bis 80	1 bis 5	15 bis 25	-	-	5	12
9 (wie 4, pressgehärtet)	<10	-	>90		-	<10	10 bis 12
n.b. nicht bestimmt
- nicht vorhanden
V Vergleichsbeispiel

Tabelle 3: erfindungsgemäße Materialien 1 bis 8 und entsprechende Schirmfaktoren S(v)

Material-Nr.	1	2	3	4	4	5	6	7	V8	9
Materialdicke [mm]	1	0,75	1,5	1,5	1	1,5	1,5	1,5	1	1,50

Messfrequenz [kHz]	Schirmfaktor S(v) [dB]
0,1	11,11	16,44	13,16	12,37	8,11	9,7	9,72	11,08	0	12,43
0,2	13,33	17,33	13,93	13,03	8,25	10,14	10,02	11,61	0	-
0,5	19,99	19,98	16,27	15,02	8,68	11,44	10,9	13,18	0	15,02
1	25,61	24,91	20,61	19,01	10,01	14,41	13,01	16,61	0,21	19,00
2	31,96	32,33	27,93	25,73	12,83	18,53	16,46	22,33	0,86	-
5	50,99	46,98	43,18	39,78	19,88	30,89	26,79	34,38	2,79	39,78
10	70,51	62,81	60,71	55,88	28,11	44,61	38,51	48,31	5,85	55,88
20	88,43	83,63	84,23	78,13	40,13	56,16	49,71	68,03	8,74	-
50	92,49	97,84	95,96	95,73	63,17	90,79	83,29	90,02	17,39	-
55	-	-	-	-	-	-	-	-	-	98,66
90	-	-	-	-	-	-	-	-	-	97,99
100	92,81	96,33	95,41	98,37	93,28	90,91	91,61	91,24	23,31	-
108	-	-	-	-	-	-	-	-	-	98,67
128	-	-	-	-	-	-	-	-	-	97,87
144	-	-	-	-	-	-	-	-	-	98,13
161	-	-	-	-	-	-	-	-	-	100,34
200	90,33	101,05	99,8	100,6	99,1	89,03	89,23	94,67	29,33	-
V Vergleichsbeispiel

Tabelle 4: Mechanische Kennwerte der erfindungsgemäßen Materialien 1 bis 9

Material-Nr.	Streckgrenze R_e [MPa]	Zugfestigkeit R_m [MPa]	A80 [%]
1	120 -220	260 -350	36
2	120 - 170	260 -350	41
3	1200	1900	4
4	1000	1500	5
5	680 - 830	780	10
6	410 - 510	690	23
7	340 - 420	600	20
V8 (Austenit)	200	600	40
9 (wie 4, pressgehärtet)	350 - 550	500 - 700	12
n.b. nicht bestimmt
A80 Bruchdehnung einer Probe von 80 mm Länge
V Vergleichsbeispiel

Gewerbliche Anwendbarkeit
Das erfindungsgemäße abschirmende Material kann vorteilhaft zur Abschirmung elektromagnetischer Strahlung, dynamischer oder statischer elektrischer und/oder dynamischer oder statischer magnetischer Felder verwendet werden.

Claims

Elektromagnetische Strahlung, dynamische oder statische elektrische und/oder dynamische oder statische magnetische Felder abschirmendes, monolithisches Material, mindestens enthaltend (jeweils in Gew.-%): - 0,001 bis 2,1 C, - 0,001 bis 30,00 Mn, - 0,001 bis 8,00 Si, - 0,01 bis 4,00 Al, - 0,001 bis 1,00 Cr, Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Schirmfaktor S(v) von 25,00 bis +120,00 dB bei einem dynamischen, magnetischen Feld oder einem dynamischen, elektromagnetischen Feld mit einer Frequenz v von 0,1 bis zu 1000 kHz aufweist, wobei der Schirmfaktor S(v) aus dem Quotient der Feldstärke gemessen am Ort der Senke mit bzw. ohne zwischen Senke und Quelle befindlichem abschirmendem Material bestimmt wird.
Material nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, dass der Schirmfaktor S(v) durch Detektion der Spannung U₂(ν) in einer zweiten Spule, die durch einen Strom I₁(ν) in einer ersten Spule induziert wird, während sich eine Probe des abschirmenden monolithischen Materials zwischen der ersten und der zweiten Spule befindet und sich die Spulen in einem Abstand von höchstens 40 mm befinden, ermittelt wird.
Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es zusätzlich wenigstens ein Legierungselement ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus As, B, Cu, Ni, Mo, Ti, V, S, P und Sn enthält.
Material nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schirmfaktor S(v) nach der Gleichung der Formel (I) $S (ν) = 20 \cdot l o g_{10} (\frac{I_{1} (ν) U_{20} (ν)}{U_{2} (ν) I_{10} (ν)}) d B$
bestimmt wird, wobei U₂(ν) die in der zweiten Spule induzierte Spannung, I₁(ν) der in der ersten Spule fließende Strom und I₁₀(ν) der Strom in der ersten Spule und U₂₀(ν) die Spannung in der zweiten Spule, jeweils ohne eingebrachte Probe, sind.
Material nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es während der Messung eine Dicke von 0,01 bis 6 mm, bevorzugt 0,03 bis 4 mm, aufweist.
Material nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Gefüge enthaltend 0 bis 100 Gew.-% Ferrit, 0 bis 95 Gew.-% Bainit, 0 bis 20 Gew.-% Perlit, 0 bis 100 Gew.-% Martensit, 0 bis 20 Gew.-% Restaustenit und ggf. Karbide, wobei die Summe jeweils 100 Gew.-% ergibt, aufweist.
Material nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Korngröße von 2 bis 200 µm, bevorzugt 2 bis 100 µm, aufweist.
Verfahren zur Abschirmung von elektromagnetischer Strahlung, dynamischen oder statischen elektrischen und/oder dynamischen oder statischen magnetischen Feldern, dadurch gekennzeichnet, dass Quelle und/oder Senke zumindest teilweise mit einem Material nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umgeben werden.
Verwendung des Materials nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Abschirmung von elektromagnetischer Strahlung, dynamischen oder statischen elektrischen und/oder dynamischen oder statischen magnetischen Feldern.
Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine hohe mechanische Belastbarkeit des Materials gegeben ist, beispielsweise ausgedrückt durch eine Streckgrenze von mindestens 200 MPa, bevorzugt mindestens 400 MPa, besonders bevorzugt mindestens 750 MPa.
Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Gebäude, insbesondere sicherheitsrelevante Gebäude, Räume, Labore, Produktionsstätten, Serverschränke, Schaltschränke, Steckerverbindungen, Halter und Gehäuse, beispielsweise für Leistungselektronik, Computer, Kommunikationselektronik, Alarmanlagen, Sicherheitstechnik, Brand- und Gasmelder, Schutzhüllen, Ladestationen, Küchengeräte, medizinische Geräte, elektronische Geräte, bevorzugt in Automobilen, elektronische Bauteile, Funkgeräte, magnetische Anwendungen, beispielsweise Permanentmagnete, elektronische Bauteile und/oder Batterien, beispielsweise nicht wieder aufladbare Batterien oder Akkumulatoren, abgeschirmt werden oder das abschirmende Material als Decken- und/oder Wandpanele, als Bodenbeläge, als Kabelkanäle, in der Messtechnik eingesetzt wird.