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Verfahren zur Messung der magnetiscben Koerzitivkraft an ferromagnetischen
Prüflingen
Verschiedene technologische Eigenschaften von ferromagnetischen Werkstoffen
wie die Härte, die Tiefziehfähigkeit, der Kohlenstoffgehalt hängen in den meisten
hallen eindeutig von der magnetischen Koerzitivkraft Hc des Werkstoffes ab. Wo das
nicht der Fall ist, gibt es wenigstens weite Bereiche der gedachten Eigenschaften,
in denen der funktionale Zusammenhang mit Hc eindeutig bleibt.
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Zur Beurteilung der Werkstoffe ist also die Messung Von Hc ein wertvolles
Mittel, um so mehr, wenn sie zerstörungsfrei vorgenommen werden kann.
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Die Erfahrung hat gelehrt, daß in vielen Fällen eine Messung am Rohwerkstück
oder Haibzeug keine Messung ist, sondern kaum eine rohe integrale - Schätzung, weil
die gedachten Eigenschaften lokal ganz unerwartet streuen können, wie an einem Beispiel
fitr viele Fig. I es zeigt, welche die Meßwerte von Ha von Geviert zu Geviert auf
einer Thomasblechtafel graphisch darstellt.
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Von gleichbedeutendem Interesse wird aber in stetig steigendem Maße
dazu noch die Kenntnis der Richtungsabhängigkeit im Werkstück, also die Aniso-
tropie
von Hc und damit der mit ihr zusammenhängenden technologischen Eigenschaften.
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Zur Kernfrage wird die Kenntnis der Anisotropie von Hc bei der Fertigung
von Tiefziehstücken einerseits, wo nur isotrope Werkstoffe brauchbar sind, weil
sonst Auffaltungen und die besonders gefürchteten Zipfelbildungen beim Tiefziehen
auftreten, und beim Stanzen von Ständer- und Läuferblechen für die Elektroindustrie,
weil sonst funktionsgefährdende Divergenzen in der Feldstärke und Induktion auftreten.
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Andererseits nimmt die Verwendung gerade von Kernblechen mit hoher
Anisotropie von lt und damit He, wie sie die unter dem Namen »Goss-Verfahren« bekannte
Walzmethode liefert, -vorzüglich im Transformatorenbau mit seinen linear gerichteten
Kraftflüssen einen solchen Umfang an, daß hier erst recht eine Anisotropiekontrolle,
möglichst schon bei der Vorfertigung, ein dringliches Problem geworden ist.
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Bisher hilft man sich durch H-Messungen an Proben, die aus dem Halbzeug
gestanzt oder von dessen Rändern abgetrennt wurden. Kreisförmige Stanzproben werden
in einem zu ihrer Fläche tangentialen homogenen Magnetfeld drehbar aufgehängt.
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Sie versuchen, sich mit der Richtung der leichtesten Magnefisierbarkeit,
des kleinsten Hc, der Walzrichtung beim »Goss-Verfahrenvc, in die Feldrichtung zu
drehen.
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Das von der Stanzprobe erzeugte Drehmoment ist ein Maß für die Anisotropie.
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Dieses Verfahren wurde in den USA. bis zur Vollautomatik entwickelt,
braucht aber immerhin noch 6 Sekunden je Probe für die Registrierung der Meßwerte
allein und erfordert, das sei betont, eine teilweise Zerstörung der Blechtafel.
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Die von den Rändern in Walzrichtung und quer zu ihr abgetrennten
Streifenpaare hingegen mißt man auf H, mittels sogenannter Koerzimeter oder auch
noch nach hinlänglich geläufigen klassischen Methoden.
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Dieses Verfahren arbeitet also ebenfalls partiell zerstörend und
ist meist nicht einfach durchzuführen.
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Beide Verfahren aber, Kreisscheiben- und Streifenpaarverfahren, geben
nur örtliche Werte von H, und diese noch unzuverlässig, weil die Deformationen beim
Ausstanzen und Abtrennen innere Spannungen hinterlassen, die, besonders bei hochqualifizierten
magnetisch extrem weichen Blechen, Fehlergehnisse gegenüber dem ganz anders geformten
Fertigteil ergeben können.
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Ferner sind Verfahren bekanntgeworden, die Aufschluß geben können
über das magnetische Verhalten im Inneren von Prüflingen, besonders über an Schweißstellen
auftretende magnetische Inhomogenitäten, wobei die Prüflinge mit Hilfe von Dauermagneten
magnetisiert werden und das Remanenzfeld, speziell dessen Feldgradient, über der
Oberfläche der Prüflinge gemessen wird. (AEG-Mitteilungen 1933, Jahrbuch des Forschungsinstihutes,
der AEG I936/37.) Diese Verfahren dürften ausschließlich dazu dienen, magnetische
Inhomogenitäten zu erkennen und damit den Nachweis von Werkstoffinhomogenitäten
zu erbringen, wie Fehler an Schweißstellen, Lunker, Risse, Bindungsfehler, Schlacken,
Oxydeinschlüsse., us;w.
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Demgegenüber werden mit dem Verfahren gemäß der Erfindung nicht allein
Aussagen über Unregelmäßigkeiten im Werkstoff erhalten, sondern darüber hinaus Kenntnisse
über wichtige technologische Eigenschaften der homogenen ferromagnetischen Werkstoffe
vermittelt, als da sind: Härte, Textur, magnetische Anisotropie u. dgl.
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Alle diese genannten Lücken schließt das Verfahren gemäß der Erfindung,
die sich auf ein Verfahren zur Messung der-magnetischen Koerzitivkraft an homogenen
ferromagnetischen Prüflingen durch Magnetisieren des Prüflings mit Dauermagneten
und Ausmessen des remanenten Feldes über dem Prüfling bezieht. Erfindungsgemäß wird
der Prüfling mit einer remanenten Punktmagnetisierung beaufschlagt und die Horizontalkomponente
der Feldstärke im Außenraum parallel zur Prüflingsoberfläche in den Richtungen von
o bis 360" gemessen. Diese Feldstärke dient dann als relatives Maß für die im Material
in den entsprechenden Meßrichtungen herrschenden technologischen Eigenschaften,
die eine Funktion der Koerzitivkraft sind.
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Die Erfindung wird an Hand eines in den Fig. I bis 4 dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Setzt man einen stabförmigen, hinreichend kräftigen und bis zur Stabilität
seiner Polstärke gealterten Dauermagnet I (Fig. 2) auf eine Blechtafel oder ein
flächenhaftes Konstruktionsteil aus ferromagnetischem Material, beide kurz Prüfling
2-genannt, auf und hebt ihn danach wieder ab, so hinterbleibt im Prüfling eine sogenannte
JsPunktmagnetisierunga-, wie eine solche Fig. 3 im Vertikalschnitt durch eine Blechtafel
mittels der Kraftlinien andeutet.
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Es ist physikalisch verständlich und durch exakte, messende Experimente
erhärtet, daß die Feldintensität in den verschiedenen Richtungen, gemessen auf der
Blechoberfläche, abhängt vom Wert Hc in der jeweiligen Richtung.
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Dieses gilt auch in kleinen Abständen bis zu einigen Millimetern
oberhalb der Blechoberfläche, was, ohnehin selbstverständlich, ebenfalls durch exakte
Messungen sichergestellt wurde.
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-Die Vermessung der Feldintensität, beispiels- und vorzugsweise in
einer Ebene parallel zur Pruflingsoberfläche, gestattet- also ein indirektes, eichbares
Messen von H, in der jeweiligen Richtung, so daß man aus dem Verhältnis Hex72as
in Richtung ~ = Anisotropie Hcmin in Richtung (2) die Anisotropie bestimmen kann.
Im allgemeinen stehen die Richtungen (I) und (2) senkrecht zueinander und bedeuten
(I) die Walzrichtung und (2) die dazu quer liegende.
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Die Ermittelung der Feldstärkekomponente dieses äußeren >Restfeldes«,
welches die Punktmagnetisierung oberhalb des Prüflings im Außenraum verbreitet,
in einem wohldefinierten und stets beibehaltenen Abstand oberhalb der Oberfläche
des Prüflings geschieht in Ausgestaltung. des Verfahrens nach
der
Erfindung mit als »Förstersonden« bekannten, für die Messung magnetischer Feldstärken
dienenden Sonden.
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Benutzt man zur Messung der vorzugsweise gewählten Horizontalkomponente
des Restfeldes zwei spiegelbildlich gelegene identisch gebaute Förstersonden, deren
Lagen also symmetrisch zur Achse der Punktmagnetisierung, senkrecht auf- der Prüflingsoberfläche,
charakterisiert durch Ht,=o auf ihr, sind, so gewinnt man zweierlei Vorteile gleichzeitig:
I. addieren sich die Meßeffekte in den beiden, entgegengesetzt geschalteten Sonden,
weil, wie Fig. 3 zeigte, für diese Lagen der Sonden die Feldrichtungen antisymmetrisch
verlaufen, und 2. werden die Einflüsse des Erdfeldes gerade wegen der entgegengesetzten
Schaltung der Sonden eliminiert, weil das Erdfeld ja in so kleinem räumlichem Bereich
als konstant und homogen angesehen werden darf. Die Erfahrung hat gelehrt, daß bei
der Anwendung des der Erfindung gemäßen Verfahrens zur indirekten Messung von Hc
in der beschriebenen Weise auch im Werkstättenbetrieb die Kompensation von Störfeldern,
welche von in der Nähe liegenden ferromagnetischen Massen, wie beispielsweise Werkzeugen,
anderen Prüflingen usw. ausgehen, gelingt.
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Dieses gilt sogar noch, wenn die Erzeuger der gedach ten Störfelder
entfernt oder räumlich bewegt werden.
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Das Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung zur Ausübung
des Verfahrens ist aus Fig. 4 zu ersehen. Darin bedeutet 2 den Prüfling, 3 das Sondenpaar,
4 die Magnetisierungsachse der Punktmagnetisierung im Prüfling, 5 einen elektronischen
Gerätesatz, welcher einmal die als Transduktoren arbeitenden Sonden mit dem Erregerstrom
beschickt und andererseits die von den Sonden gelieferte Effektspannung, welche
eben Hc proportional ist, verstärkt und in einen sinnlich wahrnehmbaren Meßwert,
.vorzugsweise den Zeigerausschlag an einem passend gewählten Instrument, vorzugsweise
an einem Drehspulgalvanometer, umwandelt. 6 ist der Träger, in welchem das Sondenpaar
exakt fixiert sitzt, 7 des Trägers Fuß, welcher auf dem Prüfling I ruhen bleibt,
während der Träger 6 mittels der Scheibe 8 über der Richtungsskala 9 während der
Messung gedreht werden kann. Io ist der obenerwähnte Meßwertgeber, vorzugsweise
ein Drehspulgalvanometer, welches bei der Drehung des Trägers 6 mittels der Scheibe
8 über der Richtungsskala g jeweils den zu der auf g ablesbaren Richtung zugehörenden
Wert von Hc anzeigt.
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Rechts unten in Fig. 4 ist der sogenannte Taster, welcher also aus
den Teilen 6 bis I2 besteht, nochmals im Längsschnitt schematisch dargestellt. Dabei
ist zu ersehen, daß der Taster zwei Funktionen zu erfüllen hat: Wird der Stabmagnet
II heruntergedrückt, so beaufschlagt er den Prüfling mit der Punktmagnetisierung.
Durch ein in den Taster eingebautes Schaltelement werden dabei die Sonden ausgeschaltet,
um deren Überlastung zu vermeiden. Wird der Stabmagnet danach losgelassen, so entfernt
ihn die Feder I2 so weit vom Prüfling und den Sonden, daß sein Feld die Messung
nicht mehr stören kann. Von jetzt ab dient der Taster ausschließlich als Meßorgan
für Hc in den verschiedenen Richtungen, die auf der Skala g abgelesen werden können,
wenn man ihn um den auf dem Prüfling ruhen bleibenden Fuß 7 um die Vertikalachse
dreht.
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Der Fuß 7 wird vorteilhaft aus Massivkupfer ausgeführt, so daß er
gleichzeitig als Abschirmung und als Dämpfer dient.
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Die Größe des Tasters beträgt etwa 100 mm Ilöhe bei etwa 40 bis 60
mm Fußdurchmesser. Er ist also ein leicht handhabbares Gerät, mit dessen Hilfe es
möglich ist, binnen weniger Sekunden sowohl H0 in mehreren Richtungen zu ermitteln
wie auch aus dem größten und dem kleinsten Wert von Je durch Division beidel Größen
durcheinander gemäß Gleichung I die Anisotropie zu bestimmen. In der geschilderten
Weise wird es sozusagen zur Augenblickssache, über eine ganze Blechtafel diese Bestimmung
durchzuführen und somit Aufschluß zu erhalten über eine etwaige Streuung von H0
(man vergleiche dazu Fig. I) sowie der Anisotropie von Ort zu Ort.
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Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens würde es sogar
erlauben, das zur Durchführung des Verfahrens geeignete Tastergerät so auszubilden,
daß es automatisch ein vorbeilaufendes Blech laufend kontrolliert. Von besonderem
Wert ist eine solche laufende Kontrolle zwischen den einzelnen Stufen des Goss-Verfahrens.
Ein weiteres Anwendungsgebiet findet das die Erfindung bildende Verfahren und Gerät
bei der Bestimmung innerer Spannungen belasteter flächenhafter Konstruktionsteile,
wie Brückenträgern und statisch belasteten Rippen. Denn die Erfahrung hat gezeigt,
was von vornherein physikalisch zu erwarten stand, daß die inneren Zugspannungen
in anderer Weise auf die Koerzitivkraft, und zwar vermindernd, wirken wie die Druckspannungen,
welche sich vermehrend auf H0 auswirken.
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Umgekehrt lassen sich also aus der Ermittlung von H0 am belasteten
gegenüber H0 am unbelasteten Bauteil Schlüsse ziehen auf die Größe der Belastung
und aus der Anisotropie in Hc solche auf die Richtung der Zug- und Druckspannungen.
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PATENTANSPR0CHE I. Verfahren zur Messung der magnetischen Koerzitivkraft
an homogenen ferromagnetischen Prüflingen durch Magnetisieren des Prüflings mit
Dauermagneten und Ausmessung des remanenten Feldes über dem Prüfling, dadurch gekennzeichnet,
daß der Prüfling mit einer remanenten Punktmagnetisierung beaufschlagt und die Horizontalkomponente
der Feldstärke im Außenraum parallel zur Prüflingsoberfläche in den Richtungen von
o bis 3600 gemessen wird.