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Vorrichtung zum Messen der Koerzitivkraft ferromagnetis cher Werkstoffe
Für die Charakterisierung magnetischer Werkstoffe bildet die Koerzitivkraft eine
wichtige Größe. Während die Remanenzen der gebräuchlichsten magnetischen Werkstoffe
sich etwa zwischen den Grenzen von 3000 bis 12 000 Gauß bewegen, unterscheiden sich
ihre Koerzitivkräfte Hc um fast fünf Zehnerpotenzen voneinander (He = o,o 1 bis
etwa 1000). Dabei sind vor allem die Extremwerte der Koerzitivkraft von technischem
Interesse, und zwar die kleinsten Werte für elektromagnetische Systeme, z. B. Relais,
die größten für die permanenten Magnete.
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In vielen Fällen, z. B. für das schnelle Durchforschen von Legierungsgebieten
oder für die laufende Überwachung einer Fabrikation, sind Meßmethoden erwünscht,
die den Wert der Koerzitivkraft möglichst genau und schnell zu bestimmen gestatten.
Die bekannte magnetometrische Methode genügt zwar bei der Messung der Koerzitivkraft
allen Anforderungen an Genauigkeit, wenn es sich um
mittlere Hc-Werte
handelt. Doch ist die Messung wegen der schwierigen Spulenfeldkompensation {Einstellung
von Entfernung und Richtung der Alagnetisierungsspulen) etwas zeitraubend. Für die
NIessung kleiner Koerzitivkräfte besitzen die neueren magnetisch weichen Werkstoffe
mit ihren Hc-Werten bis herab zu 0,01 Örsted so geringe scheinbare Remanenzen, daß
die Messung nur mit sehr empfindlichen Magnetometern möglich ist. Daher ist besonders
bei kleinen Proben die Messung schwierig durchzuführen und gibt ungenaue Resultate.
Für diese Messung kleiner Koerzitivkräfte kann man zwar die bekannte ballistische
Methode vorteilhaft verwenden. bei der eine Induktionsspule im Spulen feld von der
Probe entfernt oder umgekehrt die Probe aus einer feststehenden Induktionsspule
herausgezogen wird. Dieses Verfahren verbürgt eine gute NIeßgenauigkeit.
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Es ist aber für manche Zwecke noch zu umständlich, da es die Koerzitivkraft
nicht unmittelbar zur Anzeige bringt, sondern eine Interpolation des Hc-Wertes aus
mehreren Feldstärken notwendig macht. Eine Beschlennigung ist demnach auch bei diesem
Verfahren erwünscht.
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Bei großen Koerzitivkräften ist eine sowohl schnelle als auch genaue
H-NIessung bisher überhaupt nicht möglich gewesen. Das bisher genaueste Prüfgerät
für Dauermagnetstähle, das Spannungsmesserjoch, liefert zwar sehr genaue Werte,
doch ist für die Bestimmung der Koerzitivkraft die Aufnahme mehrerer Meßpunkte erforderlich,
was naturgemäß mit einem gewissen Zeitaufwand verknüpft ist. Ein weiteres bekanntes
Gerät, das eine schnelle Hc-Bestimmung von Dauermagnetstählen ermöglicht, ist der
Darwin-und Millnersche Magnetprüfapparat. Er hat aber den Nachteil, daß die Meßgenauigkeit
u. a. wegen der unzureichenden Magnetisierungsfeldstärke zu wünschen übrig läßt.
Es kommen bei höheren Koerzitivkräften Hc-Fehler bis zu 300/0 vor. Ferner ist man
bei der Verwendung dieses Apparates auf eine bestimmte Probeform angewiesen, die
durch Bearbeitung des magnetischen Werkstoffes hergestellt werden muß. Es ist nun
bekannt, daß vor allem Dauermagnetwerkstoffe vielfach eine außerordentiliche Härte
und Sprödigkeit besitzen, so daß die Herstellung bestimmter Probeformen mühsam und
zeitraubend ist. Außerdem weist dieses Meßgerät die Mängel aller Jochgeräte auf,
bei denen die Feldstärke aus den Spulenkonstanten berechnet wird, die darin bestehen,
daß die magnetische Güte des Schlußjoches in unübersehbarer Weise in den Feldstärkenwert
eingeht und durch empirische Scherung nur unsicher berücksichtigt werden kann und
daß die gegebenenfalls besonders zugearbeitete Probe für die Messung erst in den
Apparat eingespannt werden muß.
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Ein weiterer Nilangel der bisherigen Prüfgeräte ist die Tatsache,
daß die gemessene Koerzitivkraft entweder einen Mittelwert über das Stabvolumen
darstell, wie bei den Magnetometern, oder einen Mittelwert über eine größere Längenausdehnung
der Probe, wie z. B. bei den Jochapparaten.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Messen der Koerzitivkraft
ferromagnetischer Werkstoffe, bei der der Probekörper in ein homogenes entmagnetisierendes
Ftld gebracht, die Feldstärke dieses Feldes geändert und die Normalkomponente des
Feldes, die sich aus der Richtungsänderung der vom Probekörper verzehrten Kraftlinien
ergibt, für die Messung ausgenutzt wird, Erfindungsgemäß wird in dem Magnetfeld
seitlich vom Probekörper in der Nähe eines seiner Enden eine rotierende Meßspule
angeordnet, deren magnetische Achse senkrecht zur Drehachse und der magnetisellen
Achse des Probekörpers angeordnet ist und deren Rotationsachse parallel zur Achse
der Entmagnetisierungsspule liegt, so daß nur die Xormalkomponente des Feldes gemessen
wird. Die Meßspule ist gegebenenfalls über eine Kompensationsschaltung oder einen
Verstärker od. dgl. an ein Anzeige- oder Meßgerät angeschlossen.
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In Fig. 1 der Zeichnung ist eine Vorrichtung gemäß der Erfindung
als Ausführungsbeispiel dargestellt. I ist die Entmagnetisierungsspule. Sie ist
über einen regelbaren NViderstand 2 und ein Meßgerät 3 an eine Stromquelle 4 angeschlossen.
Alit, ist der Probestab aus dem zu untersuchenden magnetischen Werkstoff bezeichnet.
Im homogenen Innenfeld der Spule 1 ist in der Sähe des Probekörpers 5 seitlich von
diesem eine Spule 6 angeordnet. Die Spule 6 sitzt an einer Drehachse 7, die von
dem Motor 8 angetrieben wird. Die Enden der Spule 6 sind an eine Kontaktvorrichtung
g geführt und über die ortsfesten Kontaktorgane 10 an ein Anzeige gerät 11 angeschlossen.
Die Drehachse 7 wird parallel zur Achse der Probe 5 und zur Achse der Spule I eingestellt.
NVird die Spule I erregt und befindet sich in ihr noch kein Probekörper, so wird
in der rotierenden Spule 6 keine Spannung erzeugt, weil die Kraftlinien im Innern
der Entmagnetisierungsspule I parallel verlaufen und sich der Kraftfluß in der Spule
6 bei deren Rotation nicht ändert.
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Das LIeßgerät II zeigt in diesem Fall keinen Ausschlag. ÄVird der
Probekörper magnetisiert, so entsteht bekanntlich ein Kraftlinienbild, wie es die
Fig. 3 zeigt; die Kraftlinien treten hierbei schräg aus dem Körper aus.
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Fügt man nun diesen magnetisierten Probe körper in die noch nicht
erregte Spule I ein, so entsteht eine Komponente in der magnetischein Achse der
Spule 6. Infolgedessen wird bei Rotation der Spule 6 in dieser eine Ävechselspannung
erzeugt, die das Gerät 1 1 bei richtiger Einstellung der Kontaktorgane 10 zum Ausschlag
bringt. Wird durch Erregung der Spule 1 der Probekörper 5 fortschreitend entmagnetisiert,
so wird der Ausschlag des Gerätes 1 1 allmählich kleiner, bis schließlich kein Ausschlag
vorhanden ist.
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Dieser Zustand ist erreicht, wenn die von der Spule im Stab erzeugte
Feldstärke gleich ist der zu messenden Koerzitivkraft des Probekörpers. Infolgedessen
gibt die Anzeige des Meßgerätes 3 bei diesem Zustand der Einrichtung unmittelbar
ein Maß für die Koerzitivkraft.
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Die M7irkungswleise der Einrichtung nach der Erfindung wird durch
die Darstellungen der Fig. 2, 3, 4 und 5 näher erläutert.
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Fig. 2 zeigt die Entmagnetisierungskurve des im Spulenfeld befindlichen
Probekörpers 5.
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Hat die Erregung der Entmagnetisierungskurve einen Wert, bei dem sich
der durch Punkt A der Entmagnetisierungskurve gekennzeichnete Zustand ergibt, so
haben die Kraftlinien in der Nähe des Probekörpers 5 im Prinzip den aus Fig. 3 ersichtlichen
Verlauf. Die Kraftlinien treten schräg aus dem Körper 5 aus. Die Feldstärlçe läßt
sich in zwei Komponenten zerlegen, von denen eine parallel zur magnetischen Achse
des Probekörpers verläuft, während die andere eine dazu senkrechte Richtung hat.
Wird die Erregung der Spule 1 gesteigert, so wird schließlich ein Zustand erreicht,
der durch den Punkt B gekennzeichnet ist. In diesem Fall entspricht die Erregung
der Feldspule, durch welche der Probekörper entmagnetisiert wird, der Größe der
zu bestininienden Koerzitivkraft. In diesem Fall haben die Kraftlinien den aus Fig.
4 ersichtlichen Verlauf. Das Kraftlinienbild entspricht in diesem Fall dem Zustand,
wie er bei einer Magnetisierungsspule ohne Prüfkörper vorliegt. Die zur magnetischen
Achse der Probe senkrechte Komponente der Feldstärke ist verschwunden, so daß in
der rotierenden Spule 6 kein Wechselstrom erzeugt werden kann. Wird die Erregung
der Magnetisierungsspule weiter gesteigert, so ergibt sich z. B. bei dem durch Punkt
C der in Fig. 2 dargestellten Kurve gekenuzeichneten Zustand im Prinzipl das durch
Fig. 5 wiedergegebene Kraftlinienbild. In diesem Zustand zeigt die Feldstärke wiederum
eine zur magnetischen Achse senkrechte Komponente, so daß in der rotierenden Spule
ein Wechselstrom entsteht.
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Die in Fig. I dargestellte Vorrichtung hat den Vorzug, daß es sich
um ein Nullverfahren handelt. Infolgedessen ist die Messung unabhängig von der Drehzahl
des Antriebsmotors 8. Die Anzeige der in der Spule 6 erzeugten Wechselspannung kann
je nach den Anforderungen an Bequemlichkeit und Genauigbeit gewählt werden. Zur
Messung der Koerzitivkraft von Magnetstahl kann der Kollektor 9 als Gleichstromkollektor
ausgebildet und unmittelbar mit einem Gleichstrommeßgerät verbunden werden. Man
kann aber auch insbesondere für die Messung magnetisch weicher Werkstoffe die von
der Spule 6 erzeugte Wechsel spannung über Gleichrichter, Verstärker, Kompensationsschalter
usw. mit hochempfindlichen Anzeigegeräten verbinden.
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Gegenüber den obenerwähnten bekannten Meßeinrichtungen hat eine Vorrichtung
nach der Erfindung noch weitere Vorteile. Bei den bekannten Einrichtungen (Magnetometern)
ist die Kompensation der magnetischen Wirkung der Magnetisierungsspule auf das Meß
system, z. B. Magnetaadel, zeitraubend; denn da hier das magnetische Moment der
Magnetisierungsspule I000- bis Io ooomal so groß ist wie das der zu messenden Probe,
so muß, besonders bei geringen Koerzitivkräften und kleinen Proben, die Kompensation
sehr sorgfältig vorgenommen werden, um die Meßfehler klein zu halten. Bei einer
Einrichtung nach der Erfindung ist keine Kompensationsspule notwendig, da die kleine
rotierende Induktionsspule in einer Äquipotentialebene des Spulenfeldes rotiert
und daher keine EMK entstehen kann. Der Einfluß des Erdfeldes kann erforderlichenfalls
durch ein Gegenfeld leicht eliminiert werden. Der Einfluß des Erdfeldes auf die
Induktionsspule läßt sich aber auch prinzipiell beseitigen, indem man die Rotationsachse
in die Inklinationsrichtung legt. Man kann auch die Vertikalkomponente des Erdfeldes
z. B. durch Helmholtz-Gaugain-Spulen kompensieren, so daß in der anzeigenden Spule
bei beliebiger Lage des Gerätes in der Horizontalebene keine Spannung erzeugt wird.
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Die bekannten magnetometrischen Meßgeräte erfordern eine mehr oder
weniger erschütterungsfreie Aufstellung. Bei Prüfeinrichtungen nach der Erfindung
ist das nicht erforderlich. Die vom Antriebsmotor der Drehspule erzeugten Erschütterungen
lassen sich leicht durch dämpfende Mittel von der Probe fernhalten.
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Die besonderen Vorteile der Erfindung ist die große Genauigkeit der
Messung, verbunden mit ihrer schnellen Durchführbarkeit und weitgehenden Unabhängigkeit
von der Probenform. Es ist zwar bereits im Schrifttum angegeben worden, daß auch
bei manchen bisher bekannten Jochmethoden kurze Meßzeiten erreicht
werden.
Dies gibt zu der irrigen Auffassung Veranlassung, daß man mit den bekannten Methoden
an beliebigen Proben in kurzer Zeit zu dem gewünschten Meßergebnis kommen kann.
Das ist aber gar nicht der Fall. Bei den Jochmeßeinrichtungen müssen die Proben
normalerweise erst einer sorgfältigen Bearbeitung unterzogen werden, um sie in die
für die Messung geeignete Form zu bringen. Auch diese Bearbeitungszeit muß, wiewohl
sie keine reine Meßzeit ist, bei dem Vergleich des Zeitaufwandes in Rechnung gestellt
werden. Berechnet man den erforderlichen Zeitaufwand auf die einwandfreie Weise,
dann ergibt sich eine außerordentliche Überlegenheit der Erfindung, da bei der Verwendung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung praktisch alle vorkommenden Probeformen ohne weitere
Bearbeitung zur Messung herangezogen werden können. Man ist sogar in der Lage, Sandgußrohlinge
u. dgl. ohne weitere Bearbeitung zu messen.
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Es ist ferner bereits ein Feldmeßverfahren bekanntgeworden, bei welchem
eine Spule exzentrisch um eine zu ihrer Ävindungsebene senkrechte Achse rotiert
und wobei die in der Spule induzierte EMK gemessen wird. Mit disem Verfahren wird
ein örtlicher Gradient der Feldstärke gemessen, während mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung der Ortswert der Feldstärke gemessen wird. Die Meßspule der zuletzt
genannten Vorrichtung dreht sich um ihren Mittelpunkt, der Mittelpunkt dieser Spule
bleibt aber an dem Ort stehen. Die be kannte Vorrichtung ist zur Koerzitivkraftmessung
nicht geeignet.
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Es ist schließlich möglich, die Geschwindigkeit des Meßvorganges
noch außerordentlich dadurch zu steigern, daß man die beschriebene Einrichtung selbsttätig
wirkend ausbildet. Das erreicht man z. B. dadurch, daß das Gerät 11 (Fig. 1) gegebenenfalls
über Relais oder Verstärker zum Schalten eines Motors verwendet wird, welcher die
Regelung des magnetisierenden bzw. des entmagnetisierenden Stromes in der Spule
I bewirkt. Der Motor wird dann in der einen oder anderen Drehrichtung selbsttätig
eingeschaltet und auch selbsttätig wieder stillgesetzt, wenn der durch Fig. 4 gekennzeichnete
Zustand erreicht ist. Die Einrichtung zeigt bei dieser Ausbildung nach dem Einbringen
des Probe körpers 5 ohne weiteres die Koerzitivkraft am Instrument 3 an.
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Folgende Tabelle über Messungen der Koerzitivkraft an verschiedenen
magnetischen Materialien und verschiedenen Formen läßt sowohl den sich über vier
Zehnerpotenzen erstreckenden Meßbereich als auch die Unabhängigkeit der Messung
von der Form und Größe der Proben erkennen.
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Tabelle
| Koerzitiv- |
| Material Abmessungen in kraft |
| Titanstahl.......... 10 @, 62 lang 890 bis 899 |
| Al-Ni-Stahl Nr. 1... 5 @ 51X131 668 |
| Al-Ni-Stahi Nr. 2a.. 5 10X35,5 587 |
| Al-Ni-Stahl Nr. 2b.. 5X10X24,6 587 |
| Al-Ni-Stahl Nr. 3... |
| Al-Ni-Stahl Ende A. 10X30X79 537 |
| Al-Ni-Stahl Ende B . 10 X 30 X 79 622 |
| Al-Ni Stahl Sr. 4 |
| Al-Ni-Stahl Ende A . 10 X 30 x 8I 403 |
| Al-Ni-Stahl Ende B. 10X30X81 408 bis 410 |
| Co-Stahl .......... 5X10X71,5 199 |
| Wo-Stahl Nr. I I Zählerbrems- J 48,3 |
| Wo-Stahl Nr. 2 ..... magnet 48,7 |
| C-Stahl(Spiralbohrer) |
| hartes Ende ........ 2,8#, 68 lang 45,1 |
| weiches Ende ....... 2,8#, 68 lang 37,9 |
| C-Stahl (Rasier- |
| klinge) ............. 0,15X22X44 42,8 |
| Flußeisen gewalzt ... 17X20X140 1,10 |
| magnetisch, weiche |
| Fe-Ni-Legierung .. 6X13X133 0,11 |