DE4243754C2

DE4243754C2 - Verfahren zum magnetischen Speichern digitaler Informationen in komplex beanspruchten Stahlteilen

Info

Publication number: DE4243754C2
Application number: DE4243754A
Authority: DE
Inventors: Armin Dr Rukwied; Klaus Dr Ing Becker
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1992-12-23
Filing date: 1992-12-23
Publication date: 1996-06-20
Anticipated expiration: 2012-12-24
Also published as: DE4243754A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum magnetischen Speichern digitaler Information in thermisch und mechanisch beanspruchten Stahlteilen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiges Verfahren ist in der DE-A1-39 19 954 beschrieben. Mit Hilfe einer speziellen Vorrichtung werden Daten auf ferromagnetischen Bauteilen gespeichert. Mittels einer Ausleseeinrichtung werden diese Daten vom Bauteil wieder abgelesen. Die Speicherung der Daten geschieht in einer neutralen Faser, die frei von nennenswerten Zug- und Druckspannungen ist. Die Informationen werden mit Hilfe starker Elektromagnete eingeschrieben. Es entstehen remanente Polpaare, welche jeweils einem Bit entsprechen. Die Bauteile müssen zuvor wie üblich entmagnetisiert werden.

Ein Nachteil des bekannten Verfahrens besteht darin, daß durch Erschütterungen oder Erhitzung die eingeprägten magnetischen Felder im Bauteil verschwinden. In der Nähe stromdurchflossener Anlagen kann der Strom den remanenten Magnetfluß der Markierungen beeinträchtigen und zur vollständigen Entmagnetisierung führen.

Aber auch wenn die Magnetisierung nicht verschwindet, besteht das Problem, daß beim Auslesen ein relativ großer Luftspalt zwischen Bauteil und der auslesenden Spule vorhanden ist. Aus diesem Grunde muß die Aufmagnetisierung relativ stark sein und darf während des Betriebes nicht zu stark abnehmen.

Aus der Literaturstelle: Handbuch der Sonderstahlkunde von E. Houdremont, Berlin, Springer-Verlag, 1943, S. 242, ist ein gattungsgemäßes Verfahren bekannt. Es wird gezeigt, wie in Abhängigkeit vom Kohlenstoffgehalt und Legierungselementen, wie z. B. Chrom oder Kobalt, die Koerzitivkraft der Stähle gesteigert werden kann. Diese Beobachtungen fußen auf der Erfahrung, daß mit der mechanischen auch die magnetische Härte zunimmt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, bei dem die Magnetisierung in Bauteilen während des Betriebes im wesentlichen erhalten bleibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.

Man hätte natürlich daran denken können, auf die Bauteile Bleche mit günstigeren magnetischen Eigenschaften aufzubringen. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn die Bauteile in hoher Anzahl bereits in Betrieb sind. Die Stahlbauteile bestehen in der Regel aus einem niedrig legierten Kohlenstoffstahl mit der Werkstoffbezeichnung C55. Bei der Analyse zeigte sich, daß der Kohlenstoffgehalt 0,52-0,63% beträgt. Der Stahl enthielt 0,2-0,4% Silicium, 0,5-0,9% Mangan, etwas Phosphor, Schwefel und geringe Mengen von Nickel, Chrom und Kupfer. Indem das Bauteil nach der Erfindung lediglich induktiv gehärtet wird, wird die magnetische Aufzeichnung mit relativ geringem Aufwand praktikabel. Durch die Aufhärtung wird bekanntlich die Koerzitivfeldstärke des Stahls erhöht. Es zeigte sich, daß die induktive Härtebehandlung ausreicht, um die magnetischen Eigenschaften des Bauteils bis über 100°C einsatzfähig zu machen. Selbst nach einer Erwärmung auf 250°C beträgt die magnetische Flußdichte noch ca. 4·10^-3 T und liegt damit deutlich über der magnetischen Flußdichte des ungehärteten Stahls nach einer Erwärmung auf nur 95°C.

Der Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß dadurch eine einfache Möglichkeit geschaffen wird, lesbare magnetische Markierungen im Bauteil selbst bei hoher Temperaturbeanspruchung zu speichern. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 Magnetisierungsversuche an einem Stahlblock und

Fig. 2 Magnetisierungsversuche am induktiv gehärteten Stahl eines Bauteils.

Aufgrund der unzureichenden thermischen Stabilität von Magnetmarken in einem teilweise höheren Temperaturen ausgesetzten Bauteil sollte untersucht werden, ob die magnetischen Eigenschaften durch eine Gefügeumwandlung verbessert werden können.

Bei dem Werkstoff handelt es sich um einen niedriglegierten Kohlenstoffstahl, der in der Zusammensetzung einem C55 entspricht. Die chemische Zusammensetzung ist Tabelle 1 zu entnehmen. Um die Versuche möglichst bauteilnah zu gestalten, wurden sie an einem Stahlblock mit einer Querschnittsfläche von 80 mm×80 mm und einer Länge von 500 mm durchgeführt. Der Block ist damit von den Querschnittsmaßen beispielsweise mit dem Radkranz eines Eisenbahnrades vergleichbar. Die chemische Zusammensetzung des Blocks ist in Tabelle 2 dargestellt und paßt ebenfalls in das vorgegebene Legierungsband.

Tabelle 1

Chemische Zusammensetzung eines normalisierten Baustahls

Tabelle 2

Chemische Zusammensetzung des Stahlblocks (nach Herstellerangaben)

Der Stahlblock wurde an allen vier Längsseiten mit unterschiedlicher Leistung aufgehärtet. Zur Beseitigung von Härtespitzen wurde der Block zunächst eine Stunde bei 270°C angelassen. Anschließend wurden die Magnetmarken eingebracht. Nach der Auswertung der magnetischen Eigenschaften wurde zur Dokumentation der Randschichthärtung ein Querschliff angefertigt und der Härteverlauf gemessen.

Es wurden Gefügeaufnahmen aus dem angezeigten Querschliff ausgewertet. Wie sich zeigt, beträgt die Einhärtetiefe ca. 8 mm. Bei höheren Vergrößerungen sind in der Härtezone zwei unterschiedliche Gefügebereiche zu unterscheiden. Zone 1 (ca. 4 mm) an der Oberfläche ist grobkörnig und martensitärmer als Zone 2. Das Grundgefüge (Zone 3) im Inneren besteht aus Ferrit und Perlit und entspricht dem Ausgangsgefüge eines normalisierten Baustahls.

Ein Ausschnitt aus einer etwas tieferen Zone zeigt, daß der Stahl martensitreicher ist und eine hohe Koerzitivkraft besitzt. Ab einer Tiefe von etwa 10 mm hat keine martensitische Umwandlung stattgefunden, d. h. es liegt ein Gemenge aus Ferrit und Perlit vor. Die gehärtete Zone verläuft längs einer neutralen Zone im Bauteil. Die neutrale Zone ist dadurch definiert, daß dort keine nennenswerten Zug- und Druckspannungen am belasteten Bauteil auftreten und die Magnetisierung möglichst wenig gestört ist.

Die Ergebnisse der magnetischen Untersuchungen sind in Fig. 1 zu sehen. Diese zeigt die Ergebnisse an einem großen Stahlblock. Es wurden zwei Magnetmarken im Abstand von 20 cm in den Block eingebracht. Durch das Einbringen der zweiten Marke wird die magnetische Flußdichte der ersten Marke vermindert. Nach der Erwärmung auf 250°C beträgt die remanente Flußdichte an beiden Marken rund 4·10^-3 T. Der Unterschied zwischen den beiden Magnetmarken verschwindet fast vollständig.

In der Fig. 2 ist die magnetische Flußdichte der beiden Magnetmarken in einem normalisierten Stahl aufgezeichnet. Auch hier liegt die zweite Marke in ihrer Impulshöhe über der ersten Magnetmarke. Das Maximum der Flußdichte wird mit rund 4·10^-3 T bei Marke 2 erreicht. Nach einer Erwärmung des Bauteils auf ca. 95°C sinkt dieser Wert auf ca. 2·10^-3 T ab.

Ein Vergleich der Ergebnisse der Fig. 1 und 2 zeigt die deutliche Erhöhung der Flußdichte B durch die induktive Randschichthärtung. Die Werte liegen auch bei erhöhter Temperaturbelastung noch deutlich über den entsprechenden Werten des unbehandelten Bauteils.

Dabei ist zu beachten, daß die Temperaturbelastung im Bauteil nur ca. 90°C betragen hat, denn es konnte aufgrund seiner Größe nicht höher erwärmt werden und daher müssen zum Vergleich die Messungen an den Flachproben herangezogen werden. Demnach kann man davon ausgehen, daß die Flußdichte im Bauteil bei dieser Temperaturbeanspruchung deutlich unter 10^-3 T absinkt.

Die wesentliche Ursache für das Verschwinden der Magnetisierung beispielsweise in einem komplex belasteten Stahlbauteil ist darin zu sehen, daß zeitweilig eine betriebsbedingte Wärmezufuhr auftritt, die zu einer erhöhten Temperatur führt, welche die Magnetisierung der codierten Bereiche schwächt.

Aus diesem Grunde ist es besser, die Flanken dieses scheibenförmigen Rades zu benutzen und nicht den Radreifen, welcher sich beim Bremsen stärker erhitzt.

Claims

1. Verfahren zum magnetischen Speichern digitaler Informationen in mechanisch und thermisch beanspruchten Stahlteilen, wobei die Information mit einer Magnetisiereinrichtung auf ein in engem Abstand vorbeigeführtes Bauteil aus Stahl übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche der Stahlteile, die zum Speichern vorgesehen sind, einer Aufhärtung unterzogen werden, daß die Aufhärtung an der Oberfläche erfolgt, daß die Härtung durch induktive Aufheizung und anschließende Abschreckung derart vorgenommen wird, daß eine Oberflächenschicht von etwa 10 mm Tiefe aufgehärtet wird, und daß nach dem Härten eine Anlaßbehandlung durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Härtung des Bauteils in der Zone geringer mechanischer Betriebsspannungen durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Härtung im Bereich einer neutralen Faser des belasteten Bauteils durchgeführt wird, die frei von nennenswerten Zug- und Druckspannungen ist.