DE3037932A1 - Verfahren zur feststellung der koerzitivfeldstaerken an ausgedehnten oberflaechen mit magnetinduktiven und magnetoelastischen messgroessen - Google Patents

Description

• Verfahren zur Feststellung der Koerzitivfeldstärken an
• ausgedehnten Oberflächen mit magnetinduktiven und magnetoelastischen Meßgrößen Die Koerzitivfeldstärke ist aus industrieller Sicht eine wichtige Zielgröße, die zur Unterscheidung von Werkstoffzuständen, Sortieren, etc.
• eingesetzt wird. Um die Koerzitivfeldstärke bestimmen zu können, muß der Prüfling bislang eine hochsymmetrische Geometrie (Zylinder, stabförmig, etc.) besitzen. Gemessen wird in diesem Fall die magnetische Flußdichte (B) über der inneren H-Feldstärke (Hi). Entsprechende Meßvorschriften sind bekannt /1,2/.
• Die Erfindung betrifft die Messung der Koerzitivfeldstärke Hc an ausgedehnten Oberflächen, dabei versagen die bisherigen Meßmethoden, da die Flußdichtemessung (B) im Prüfling in der Aufsetztechnik keiner direkten Messung zugänglich ist.
• Die bisherigen Verfahren nutzen, nachdem der Prüfling mit einem Permanentmagneten z.B. aufmagnetisiert wurde, - eine lineare Korrelation Streufeldstärke (Remanenz) mit der Koerzitivfeldstärke (Hc). Dieses Verfahren versagt immer dann, wenn Hc nicht proportional mit der Remanenz korreliert ist /3/, - die Kompensation der Streufeldstärke (Pol) mittels eines Gegenfeldes.
• Dabei wird die Streufeldstärke und die Gegenerregerfeldstärke gemessen /4/.
• Die beiden obigen Möglichkeiten haben sich bislang nicht durchgesetzt, da spezielle Eichprozeduren ausgenutzt werden müssen und eine starke Geometrieabhängigkeit besteht. Beim quasi-stationären und dynamischen Durchlaufen der Hysteresekurve erhält man, in Abhängigkeit der Ummagnetisierungsfrequenz, unterschiedliche Ummagnetisierungsverluste, die auch in sich ändernden Koerzitivfeldstärken Hc zum Ausdruck kommen. Diese Koerzitivfeldstärken gilt es zu messen. Die einzelnen magnetinduktiven und magnetoelastischen Verfahren, ob reversibel oder irreversibel, nutzen die Gesetzmäßigkeiten in der magnetischen Bereichsstruktur bezüglich der am Ummagnetisierungsprozeß beteiligten Blochwandarten aus, um aus den einzelnen Meßgrößen bei einer Auftragung über der inneren Tangentialfeldstärke Hit. die Koerzitivfeldstärke Hcvbestimmen.
• Die einzelnen Meßgrößen, sie unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Ortsauflösung, ihres Wechselwirkungsvolumens und ihren physikalischen Randbedingungen, sind: -a- Die Überlagerungspermeabilität bzw. die reversible Permeabilität -b- das magnetische Barkhausenrauschen -c- das akustische Barkhausenrauschen -d- die elektrodynamisch angeregten US-Wellen (EMUS) -e- die makroskopische Magnetostriktion (#) bzw.
• Die Meßbeträge aus -a- bis -e- werden in Abhängigkeit von der inneren Feldstärke Hit gemessen. Bei der Hit-Messung wird die physikalische Randbedingung, daß Ht Material = Ht Luft gilt, ausgenutzt. Die Tangentialfeldmessung erfolgt mit einem H-Feldmesser (Hallsonde, Feldsonde, ...).
• Der schematische Meßaufbau ist in Fig. 1 dargestellt.
• Die oben erwähnten Gesetzmäßigkeiten ent@immt man der Phasentheorie /5/, die für Eisenwerkstoffe in der Umgebung der Koerzitivfeldstärken eine stärkere Beteiligung von 1800 Blochwandbewegungen, in den Hysteresekniebereichen eine starke Beteiligung von 90° Blochwandbewegungen und zu noch größeren Feldstärkeneine Zunahme von Drehprozessen am Ummagnetisierungsvorgang fordert.
• Als weitere Gesetzmäßigkeit gilt, daß alle 1800 Blochwände magnetostriktiv nicht aktiv sind, im Gegensatz zu den meisten 90° Blochwänden und allen Drehprozessen.
• (Anmerkung: Bei anderen Werkstoffen, z.B. Nickel, sind andere als die hier erwähnten Blochwände am Ummagnetisierungsvorgang beteiligt; die Argumentation mußte in diesen Fällen entsprechend angepaßt werden.) Bei der Erfindung wird somit die Gesetzmäßigkeit ausgenutzt, daß bei Hc schwerpunktmäßig 1800 Blochwände am Ummagnetisierungsprozeß beteiligt sind. In den jeweiligen Meßgrößen der einzelnen Verfahren ist dies über Hit wie folgt abgebildet.
• -a- Überlagerungspermeabilität (µ#) bzw. reversible Permeabilität (Hrev): Gemessen wird µ# bzw. µrev mit gängigen Wirbelstrommeßberäten, wobei die Impedanzänderung der Abtastspule oder des z.B. U-förmigen Ferritkerns hervorgerufen durch die µ# bzw. Prev-Änderung über Hi messen wird. Um bei unterschiedlichen Materialien die Aufnehmer nicht immer anpassen zu müssen (Spulenwicklungszahl), muß die Wech@ feldamplitude #HW frei wählbar sein. Durch geeignete Wahl de Fre@ fw kann die Meßgröße @# bzw. Drev über Hit dem Betrag nach optimit werden. Die Wirbelstrommeßfrequenz liegt hierbei in den Grenzen 50 Hz < fw < l MHZ. Die Frequenz fE, mit der die Hysterese durchst@ wird < 1000 Hz; fw muß der Frequenz fE angepaßt werden.
• Aus der Peaklage ergibt sich bei der Prev-Messung die doppelte koe zitivfeldstärke 2 Hc Das Maximum ist gekennzeichnet durch die in der Umgebung von Hc schwerpunktmäßig ablaufenden 1800 Blochwandbewegungen. Bei normalen Hysteresekurven kann dieser Sachverhalt verall-: oemeinert werden.
• Da die reversible Permeabilitat definitionsgemäß nur im Gren #Hw # 0 gemessen werden kann, wird im Anwendungsfall stet Überlagerungspermabilität @# gemessen.
• Die Meßgröße ist in Fig. 2 zu sehen. Der Peakabstand beträgt hierbei 2Hc - #Hw. Durch Messung der Wechselfeldamplitude #Hw in kann der absolute Fehler abgeschätzt werden. In Fig. 3 ist die Eichprozedur zur Beschaffung der tatsächlichen Hc-Werte dargestellt Vss entspricht dem Spannungsspitze/-spitze-Wert der µ#-Erreger in Luft. (Die Erreger- und Meßspule für das #Hw-Feld untersche sich hinsichtlich der Wicklungszahl, befinden sich jedoch am selben Ort.) wird die Erregerfeldstärke #Hw ~ Vss verkleinert, so@ Hc zu (Fig. 3). Durch Extrapolation kann der Schnittpunkt mit der Hc -Achse bei Vss = O bestimmt we Das Verfahren ist verwendbar auf dünn- und dickwandigem Material.
• Die gemessenen Koerzitivfeldstärken sind abhängig von den oberflächennahen Materialeigenschaften, die Eindringtiefe wird bestimmt durch die Wirbelstrommeßfrequenz fw. Es sind keine Absolutmessungen von µ# bzw. Drev notwendig.
• -b- Magnetinduktiver Barkhauseneffekt.
• Gemessen wird die gleichgerichtete tete Barkhausenrauschamplitude.
• Aufnehmer: Ferritkern, Luftspule, Tonbandkopf. Erregerfrequenz: fE < 100 Hz; Analysierfrequenz 100 Hz < fA < 100 Die Einhüllende der gleichgerichteten Barkhausenamplitude ist für den positiven und negativen Hystereseast um die Hystereseöffnung getrennt. Tritt keine Anomalie der Hystereseschleife auf, so liegt bei technischen Stählen (polykristallin, keine Textur, ...) das Maximum der Rauschamplitude auf Hc (siehe Fig. 4) und wird durch irreversible 180° Blochwandbewegungen verursacht. Dies wir Stählen immer dann beobachtet, wenn das Maximum von Xdjff mit Hc zusammenfällt und eine hinreichende Irreversibilität auftritt. Andere Kurvenformen, aus denen allerdings ebenfalls die Koerzitivfeldstärke entnommen werden kann, treten bei weichmagnetischen Werkstoffen auf. Bei dieser Werkstoffgruppe ist, wenn eine geringe Defektdichte - die zu irreversiblen Ummagnetisierungsvorgängen führt - vorliegt, der Schwerpunkt der irreversiblen Ereignisse in die Kniebereiche verschoben. Die Hystereseöffnung der Rauschamplitude stellt dann bei positiver und negativer Durchsteuerung der Hysteresewerte und kleinen Hit-Feldern ein Maß für die doppelte Koerzitivfeldsti 2Hc dar.
• Eine Messung ist möglich an dünn- und dickwandigen Bauteilen Meßgröße bezieht sich auf oberflächennahe Bereiche iche # 1 mm.
• -c- Induzierte Ultraschall signale /H/ (akustischer Barkhauseneffekt) Gemessen werden z. B. die Effektivwerte der Rauschamplitude übe Aufnehmer: piezoelektrisch. Erregerfrequenz : 0.1 < fE [Hz] < 100 Das Minimum der Einhüllenden liegt exakt auf Hc (siehe Fig. 5).
• In Fig. 5 ist neben den Quadraten der akustischen Rauschamplitude die Langsmagnetostriktion AL eingezeichnet. Wie der Fig. 5 zu entnehmen ist und wie aus der Phasentheorie auch abgeleitet werden kann, liegen die Minima beider meßgrößen bei den gleichen Hit-We Voraussetzung für die Nutzung dieser Meßgröße ist eine ebene H-F anströmung, oder anders ausgedrückt, eine definiert durchsteuerte Hysteresekurve (keine Hysteresefamilie, die durch unterschiedliche Hc-Werte gekennzeichnet ist) und eine endliche Magnetostriktio Das Minimum ist gekennzeichnet durch 180° Wandbewegungen, die akustischen Signale induzieren.
• Da eine ebene H-Feldanströmung Voraussetzung ist, beschränkt dieses Verfahren auf Bleche und solche Geometrien, bei denen diese Anströmungsverhältnisse eingestellt werden kö Das Wechselwirkungsvolumen/-Tiefe liegt im cm-Bereich.
• -d- Magnetostriktion /1,6/ Gemessen wird die Längsmagnetostriktion ## mit Dehnungsmeßstr@ (DMS) über der Hit-Feldstärke. Je nachdem, ob Trägerfrequenzv@ stärker oder Gleichspannungsverstärker eingesetzt werden, ist die Erregerfrequenz fE nach oben unterschiedlich begrenzt. Da zur Meßgröße nur magneto striktiv aktive Ummagnetisierungsprozesse beitr.
• liegen wegen der schwerpunktmäßigen Beteiligung der 1800 Blochwände die Minima der #L/Hit-kurven auf Hc (Fig. 6a). In Fig. 6 isi der positiv durchsteuerte Hystereseast dargestellt. Das Verfahren beschränkt sich auf Bleche bzw. Prüflingsgeometrien, bei denen eine ebene H-Feldanströmung möglich Wird dem quasistetionären Erregerfeld Hit (z.B. fE = 0,1 Hz) ein Wechselfeld # Hw (z.B. fW = 10 Hz) überlagert, so kann man aus de@ Lage der ersten Minime - in der #@ über Hit-Darstellung, dynamische magnetostriktion - in bezug auf die H=O-Achse die Koer@ tivfeldstärkewerte entnehmen (Fig. 6b). Die Einhüllende der ## -k ist durchgezogen und strichpunktiert gezeichnet, um die sich ebenfalls ändernde Phasenrichtung von aX über Hti aufzuzeigen. Diese Information kann ebenfalls zur Bestimmung der Koerzitivfeldstärke genutzt werden. @e nach Wahl der fw-Frequenz ist das Wechselwirkt volumen, also die mittlere Eindringtiefe, unterschiedlich. Bei exakten Hc-Bestimmungen sollte ebenfalls eine ebene Feldanströmung ge@ leistet sein. Der maximal auftretende Fehler, wenn man aus der dynamischen Magnetostriktionskurve Hc entnimmt, beträgt # -e- Elektrodynamisch angeregter [@traschal] (EMUS) /8/ Gemessen wird die Ultraschallamplitude bzw. das magnetinduktive Rauschen, Die Erregerfrequenz fE mit der die Hystereskurve d steuert wird, liegt im allgemeinen im Bereich zwischen 1#fE [Hz] #1000. Die Wechselfeldfrequenz fW sowie die Meßfre fm liegen im Bereich zwischen 10 kHZ und 5 MHz.
• wird die Ultraschallamplitude als Meßgröße genutzt, so ist ein endliche Magnetostriktion des Materials Voraussetzung. In der Umgebung von Hc sind reversible - wenn die #Hw-Amplitude zu groß ist irreversible - magnetostriktiv aktive 90° Blochwände abgebil Die Einhüllenden der Meßkurven sind wieder um die Hystereseöffnung voneinander getrennt. Die Hc-Werte können nun aus dieser E-Hyste öffnung entnommen werden oder aus der Lage der Minima (Lage der zur Hit=0 nächstgelegenen Minima). Diese Minima entsprechen der Meßgröße unter -d- bzw. Pbb. 6b. Die Phaseninformation kann ebenfalls wie unter -d- ausgeführt herangezogen werden.
• Der Fehler in der Hc-Bestimmung ist wie in -a- oder -d- durch Wechselfeldamplitude #Hw gegeben, es werden also Hc - 1/2 Hw gemessen.
• Wird das magnetinduktive Rauschen (b), das ebenfalls mit dem EMUS-Wandler gemessen werden kann, genutzt, wird die Hc-Bestimmun unter (b) durchgeführt.
• Es werden oberflächennahe Koerzitivfeldstärken gewichtet gemessen; entsprechend kann die magnetische Abschlußbereichsstruktur den den Meßbetrag beeinflussen.
• Literatur /1/ E. Kneller; Ferromagnetismus. Springer, Berlin 1962 /2/ C. Heck; Magnetische Werkstoffe und ihre technische Anwendung.
• Hüthig, Heidelberg 1974 /3/ F. Förster, G. Zizelmann; Z. Metallkde. 45 (1954), Heft 4 /4/ List Magnetik, Firmenschrift, Aufsatzkoerzimeter KM2 /5/ A. Seeger; Probleme der Metall physik, Springer, Berlin 1966 /6/ B.D. Cullity; Introduction to Magnetic Materials.
• Addison-Wesley, 1972 /7/ Offenlegungsschrift 28 37 733, W. Theiner, E. Waschkies /8/ Auslegeschrift P 26 55 804.3-52, W. Mohr et al.

Claims (1)

1. Patentansprüche Verfahren zur Messung der Koerzitivfeldstärken (Hc) bei quasi-stationärer und dynamischer Durchsteuerung der Hysteresekurven mit magnetinduktiven bzw. magnetoelastischen Meßgrößen.

   I) dadurch gekennzeichnet, daß die Maxima der reversiblen Permeabilität (Prev) über der Tangentialfeldstärke (Hit) mit den Kcerzitivfeldstärken +Hc/-Hc zusammenfallen; II) d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Maxima der Überlagerungspermeabilität (µ#) über Hit bis auf eine Abweichung < 1/2 #HW (#HW-endliche Wechselfeldamplitude, Spitze-Spitze) zu kleineren Koerzitivfeldstärken mit den tatsächlichen Koerzi tivfel dstärkebeträgen zusammenfallen; III) dadurch gekennzeichnet, daß aus der Aufspaltung bzw. der Lage der Maxima des magnetischen Barkhauseneffektes über Hit bei polykristallinen technischen Stählen (keine Textur, große Gitterdefektdichte) die tatsächlichen Koerzitivfeldstärken bestimmt werden können (Hysteresekurve sollte hierbei ein normales Verhalten zeigen); IV) dadurch gekennzeichnet, daß die Minima der induzierten Ultraschallemissionssignale (akustischer Barkhauseneffekt) über Hit mit den Koerzitivfeldstärken -Hc/+Hc zusammenfallen; V) dadurch gekennzeichnet, daß die Minima (positive Magnetostriktion in der Umgebung von Hc) oder die Maxima (negative Magnetostriktion in der Umgebung der Koerzitivfeldstärke) über Hit der Längsmagnetostriktion #@ mit den koerzitivfeldstärken übereinstimmen; VI) dadurch gekennzeichnet, daß aus der Aufspaltung bzw. der Lage der Minima bei Durchsteuerung des positiven und negativen Hystereseastes mittels DMS- und EMUS-Aufnehmer aus der Lage der Minima bzw. aus der Aufspaltung der Meßkurven bis auf einen Wert ( ATHw ( # #HW - H-Feldstärke des infinitesimalen Wechselfeldes) über Hit die Koerzitivfeldstärken bestimmt werden können.

   VII) Verfahren nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedliche Materialtiefen/-Volumina in den Meßgrößen erfaßt werden.