Auf dieser Seite finden Sie Grundlagenwissen zum Thema Entmagnetisieren mit Wechselfeld, sowie eine Übersicht zu Entmagnetisiersystemen und Technologien.
Magnetismus von ferromagnetischen Werkstoffen
Ein magnetisiertes, ferromagnetisches Material ist durch eine hohe Anzahl von magnetischen Domänen gekennzeichnet, die in die gleiche Richtung orientiert sind bzw. sich zu grösseren magnetischen Domänen zusammengeschlossen haben. Dadurch summiert sich der magnetische Fluss der einzelnen Domänen zu einem grösseren Gesamtfluss auf, der auch ausserhalb des ferromagnetischen Materials als Restmagnetismus bzw. magnetisches Streufeld in Erscheinung tritt. Magnetfeld ist eine vektorielle Grösse, gekennzeichnet durch einen Betrag (Feldstärke H) und eine Richtung. Per Definition fliessen die Magnetfeldlinien vom magnetischen Nordpol (N) zum magnetischen Südpol (S).
Ein entmagnetisiertes Material kann aber jederzeit wieder magnetisiert werden, indem es:
- einem Magnetfeld genügend hoher Intensität ausgesetzt wird
- in der kristallinen Struktur z.B. durch Umformung verändert wird
- von stärkeren elektrischen Strömen durchflossen wird
Magnetismus in ferromagnetischen Metallen kann streng genommen physikalisch nicht beseitigt werden. Mit einem entmagnetisierten Zustand ist gemeint, dass die grösseren, gleichgerichteten Domänen wieder in kleinere Domänen mit unterschiedlicher Magnetisierungsrichtung unterteilt worden sind, und sich dadurch keine wesentliche Magnetisierung mehr ergibt.
Warum Entmagnetisieren?
Das Entmagnetisieren von Teilen aus Stahl setzt sich in der Industrie immer mehr als notwendiger Prozess durch, weil sich bei der Weiterverarbeitung der Bauteile entscheidende Vorteile in vielen Folgeprozessen und der Qualität von Endprodukten erzielen lassen (siehe Anwendungsgebiete).
Bei sachgemässem Umgang und ohne Einwirkung von magnetischen Feldern auf den Werkstoff bleiben vollständig entmagnetisierte Bauteile über sehr lange Zeiträume hinweg entmagnetisiert.
Wie kann man Entmagnetisieren?
Ferromagnetische Werkstoffe können grundsätzlich mit den drei folgenden Methoden entmagnetisiert werden:
- Erhitzung über Curie-Temperatur (die Curie-Temperatur ist legierungsabhängig. Für industriellen Stahl liegt sie bei ca. 500 bis 800°C. Umwandlung Ferromagnetismus zu Paramagnetismus)
- Erschütterungen (Umorientieren von magnetischen Domänen durch Vibrationsenergie. Beschränkt tauglich)
- Erzeugen eines magnetischen Gegenfeldes, damit an einer definierten Messtelle am Material der magnetische Fluss auf null abfällt
- Umpolung mit abnehmendem magnetischem Wechselfeld zur Verteilung der Domänen-Magnetisierungsrichtung im Material (in den meisten Fällen das Verfahren der Wahl)
Entmagnetisieren mit abnehmendem Wechselfeld
Bei dem Verfahren wird zuerst ein magnetisches Wechselfeld mit grosser Amplitude aufgebaut, das anschliessend bis auf möglichst niedrige Amplitude abklingen muss. Dieser Prozess scheint zunächst sehr einfach auszusehen, es kommt aber auf viele Details an, um bei der Entmagnetisierung gute Ergebnisse zu erzielen.
Aufbau des Wechselfeldes:
- Ein starkes magnetisches Wechselfeld wird erzeugt, welches die magnetischen Domänen im Material in eine Richtung ausrichtet
- Die Amplitude des Feldes muss ausreichend hoch sein, um alle magnetischen Domänen zu beeinflussen
Abklingen des Feldes:
- Das Wechselfeld wird schrittweise reduziert, wodurch die magnetischen Domänen in immer kleinere Bereiche unterteilt werden
- Dieser Prozess muss kontrolliert und gleichmäßig erfolgen, um eine homogene Entmagnetisierung zu gewährleisten
Durchlaufen der magnetischen Hysteresekurve:
- Während des Abklingens durchläuft das Material die Hysteresekurve mit abnehmender Amplitude der magnetischen Feldstärke und der Magnetflussdichte
- Dies führt zu einer Reduktion des Restmagnetismus im Material
Auslauf auf minimale Feldstärke:
- Die Frequenz und die Abklingrate des Wechselfeldes müssen sorgfältig abgestimmt werden. Die Feldstärke muss auf möglichst niedrige Amplituden auslaufen, um eine vollständige Entmagnetisierung zu erreichen
- Unterschiedliche Materialien und Geometrien erfordern spezifische Einstellungen und Anpassungen
Durch die präzise Steuerung dieses Prozesses kann eine effektive Entmagnetisierung erreicht werden, die sicherstellt, dass das Material frei von störendem Restmagnetismus ist.
Entscheidende Prozessgrössen:
- Frequenz: Änderungsrate der Umpolung. Tiefe Frequenz für hohe Eindringtiefe in den Werkstoff
- Feldstärke: Intensität des Wechselfeldes. Generell ist eine hohe Feldstärke u.A. zur Umpolung von hartmagnetischen Stellen im Material von Vorteil
- Amplituden-Dekrement: Das Dekrement ist ein Mass für die Verringerung der Wechselfeldamplituden
- Feldsymmetrie: Symmetrie des Wechselfeldes bezüglich Nullfeld. Symmetrie bewirkt, dass die Domänen ohne bleibende Vorzugsrichtung verwirbelt werden
- Wirkbereich: Mass für das von der Spule erzeugte Feldvolumen, in dem die Entmagnetisierwirkung stattfindet.
- Feldhomogenität: Mass für die Gleichmässigkeit des Feldes innerhalb des Wirkbereiches
- Durchflutungsrichtung: Richtung des magnetischen Wechselfeldes bezogen auf das zu entmagnetisierende Objekt
Übersicht zu Entmagnetisiersystemen
Die nachfolgenden Systeme basieren alle auf dem Prinzip mit abnehmendem Wechselfeld.
Industrielle Entmagnetisierer
Diese Maschinen basieren auf Leistungsmodul und Spule und entmagnetisieren entweder pulsweise oder im Durchlauf. Die Leistungsparameter und die Baugrösse wird in der Regel dem Anwendungsfall angepasst. Besonders effektiv ist das pulsweise-Entmagnetisieren. Dabei wird ein niederfrequentes Wechselfeld erzeugt, welches die magnetischen Domänen im Material mit Tiefenwirkung umpolt und so den Restmagnetismus wirksamer entfernt. Diese Methode ist besonders effektiv für komplexe Geometrien und Materialien mit hoher Koerzitivfeldstärke.
Mobile Entmagnetisierer mit Magnetfeldkabeln
Mobile Entmagnetisiergeräte mit Magnetfeldkabeln sind flexibel und vielseitig einsetzbar. Es werden flexible Magnetfeldkabel verwendet, die um die zu entmagnetisierende Teile gewickelt werden. Die Entmagnetisierung erfolgt pulsweise. Diese Geräte sind ideal für mobilen Einsatz und können sowohl Einzelteile als auch ganze Baugruppen oder Maschinen effektiv entmagnetisieren.
Tunnelentmagnetisierer für Durchlauf
Tunnelentmagnetisierer sind für den Dauerbetrieb und kontinuierlichen Teilefluss ausgelegt. Die Werkstücke werden mit konstanter Geschwindigkeit durch die Spule geführt, wodurch sie einem abklingenden Wechselfeld ausgesetzt sind. Diese Geräte sind geeignet für die Entmagnetisierung von flachen Einzelteilen oder dünnwandigen Rohren oder Stangen.
Streufeld-Entmagnetisierer
Streufeld-Entmagnetisierer (auch Platten- oder Jochentmagnetisierer genannt) erzeugen ein starkes Wechselfeld über einer flachen Oberfläche oder zwischen zwei Jocharmen. Manche Gerätevarianten verfügen zusätzlich über Polplatten, um das Wechselfeld gezielter zu leiten. Diese Geräte sind besonders geeignet für flache und auch gehärtete Bauteile. Streufeld-Entmagnetisierer können manuell oder in automatisierte Systeme integriert betrieben werden. Die Bauteile müssen bei direktem Netzbetrieb zur Entmagnetisierung über die Wirkfläche geführt werden. In Kombination mit Leistungsmodulen kann auch pulsweise entmagnetisiert werden.
Handentmagnetisierer
Handentmagnetisierer sind tragbare, manuell bediente Geräte, die zur Entmagnetisierung von Oberflächenmagnetismus in ferromagnetischen Teilen verwendet werden. Sie sind ideal für den mobilen Einsatz und können Restmagnetismus bis zu einer Tiefe von maximal etwa 15mm entfernen. Diese Geräte sind für industrielle Anwendungen geeignet, wie z.B. die Entmagnetisierung von Werkzeugen, Maschinenteilen und Formen. Die Wirkung ist allerdings aufgrund der relativ geringen Leistung und kleinen Spulengrösse begrenzt.
Rotationsfeld-Spulen
Rotationsfeld-Spulen erzeugen ein gepulstes rotierendes Wechselfeld, das besonders effektiv für die Entmagnetisierung von rotationssymmetrischen Teilen wie Wälzlager-Ringen ist. Durch die Feldrotation werden die Teile in der optimalen magnetischen Richtung durchflutet, was zu sehr guten Entmagnetisierungsergebnissen führt. Diese Systeme werden deshalb insbesondere im Zusammenhang mit Wirbelstromprüfung eingesetzt.
Sonderanlagen
Sonderanlagen zur Entmagnetisierung sind maßgeschneiderte Lösungen für spezifische Anforderungen. In diesem Bereich greifen wir auf alle technologischen Möglichkeiten zu, die uns zur Verfügung stehen.
Weiterführende Informationen
Magnetische Hysteresekurve
Die magnetischen Eigenschaften eines ferromagnetischen Werkstoffes werden durch charakteristische Punkte in der magnetischen Hysteresekurve beschrieben:
Bei der erstmaligen Magnetisierung durchläuft das Material die sogenannte Neukurve vom Ursprung bis zum Sättigungspunkt.
Bsat ist die Sättigungsflussdichte. In diesem Punkt sind alle magnetischen Domänen des Materials voll ausgerichtet aufgrund des äusseren Feldes Hsat.
Br ist die Remanenz des Materials. Nach Entfernung des Feldes Hsat läuft die Flussdichte auf der oberen Kurve vom Punkt (Hsat / Bsat) zum Punkt (H=0 / Br). Die Remanenz definiert den im Material verbleibenden Restmagnetismus nach einer Sättigungsmagnetisierung.
Hc ist die Koerzitivfeldstärke des Materials. Hc definiert wie viel Feldstärke benötigt wird, um das vollständig gesättigte Material zu entmagnetisieren. Die zur Entmagnetisierung benötigte Feldstärke muss der Magnetisierungsfeldstärke Hsat entgegengepolt sein, also –Hc.
Die Entmagnetisierung von Metallen oder Magneten mit Gegenfeld Hc funktioniert nur an einer Materialprobe einfacher, symmetrischer Geometrie, die zuvor gerichtet magnetisiert wurde. Ferromagnetische Bauteile mit unregelmässiger Geometrie bzw. Werkstoffen unterschiedlicher magnetischer Eigenschaften (z.B. durch Härteprozesse), müssen zur Entmagnetisierung den Hysteresezyklus bei zunehmend geringer werdender Feldstärke H mehrfach durchlaufen. (Mehr Informationen weiter unten).
Feldstärke H und Flussdichte B
Der Feldstärkevektor H beschreibt die von „freien Strömen“ erzeugte magnetische Feldstärke ohne Einfluss der Magnetisierung M von Materie. Mit freien Strömen sind entweder elektrische Ströme in einem Leiter oder magnetische Dipolmomente auf atomarer Ebene gemeint. Beiden Quellen ist eine bewegte Ladung gemeinsam, die Elektronen.
Bei einem geraden Leiter ist die magnetische Feldstärke im Abstand r [m] um den Leiter wie folgt definiert:
H = I / 2πr (G1)
Die Einheit ist: [H] = [A/m] Ampère/Meter
Mit der Magnetisierung M von Materie ist das vorliegende Magnetfeld H als Flussdichte B definiert:
B = µ0(H + M) = μ0(H + (μr – 1)H) = μ0μrH (G2)
Die Einheit ist: [B] = [T] Tesla
Die Faktoren μ0 und μr sind die relative magnetische Permeabilität des Vakuums (Konstante) bzw. die Permeabilität des ferromagnetischen Werkstoffes. Die relative magnetische Permeabilität (Steigung in der blauen Hystereskurve weiter oben) ist nicht konstant, sondern hängt vom Feld H ab: μr = μr(H).
Ein magnetisch gut leitfähiges Metall wie z.B. Transformatorblech (μr über 10’000) besitzt eine hohe relative magnetische Permeabilität. Tiefe Permeabilität besitzen dagegen ferromagnetische Werkstoffe wie z.B. gehärtete martensitische Stähle, Hartmetalle (μr unter 20) und Edelstähle mit geringen ferritischen Anteilen. Austenitische Stähle sind grundsätzlich nicht magnetisierbar, besitzen demzufolge eine magnetische Permeabilität von nahezu 1.
Die relative magnetische Permeabilität (Permeabilitätszahl) sagt aus, wie stark ein Material bei einer bestimmten Feldstärke H magnetisiert werden kann. Sie ist somit ein Maß für die Durchlässigkeit von Materie für magnetische Felder. Ein Material mit hoher Permeabilitätszahl kann magnetisch stärker angezogen werden.
Magnetfeld-Messgeräte rechnen zwischen Flussdichte und Feldstärke um, indem μr = 1 gesetzt wird. Dies ist zulässig, weil der Sensor nicht im ferromagnetischen Material „drin“ misst, sondern immer außerhalb des Materials, also in Luft. In Luft ist μr annähernd 1. Aus Gleichung (G2) folgt 1mT ^= 7.96A/cm.
Magnetische Anziehungskräfte
Magnetfelder führen zu Anziehungseffekten auf magnetisierbare Objekte und auf Magnetfelder entgegengesetzter Polarität.
Nachfolgend werden zwei Formeln eingeführt, mit denen sich die magnetische Anziehungskraft zwischen zwei Flächen- und auf kleine Objekte (z.B. Partikel) berechnen lässt.
Anziehungskraft zwischen zwei Flächen
Dieser Fall liegt zum Beispiel bei einem Joch mit Stirnfläche A und einem darüberliegenden, ferromagnetischen Objekt mit gleicher Fläche A vor.
Fm = μ0 · H2 · A / 2 (G3)
H: Feldstärke im Luftspalt zwischen den zwei Flächen A [m2]
Anziehungskraft auf kleine Objekte
Die Anziehungskraft auf magnetisierbare kleine Objekte wie z.B. ferromagnetische Partikel lässt sich mit folgender Gleichung approximieren:
Fm = μ0 · V · Χ · H · (∇ · H) (G4)
V: Volumen Objekt [m3]
Χ: magnetische Suszeptibilität (Suszeptibilität: Mass für die Magnetisierbarkeit eines Materials, Χ = μr – 1)
H: auf das Objekt wirkende Feldstärke
∇ · H = Gradient(H): auf das Objekt wirkender Feldstärkegradient (Gradient: Feldänderung / Distanz)
Es ergibt sich wieder ein quadratischer Zusammenhang zwischen Anziehungskraft Fm und Feldstärke H. Zusätzlich ist gegenüber (G3) ersichtlich, dass ein hoher Feldstärke Gradient(H) zu mehr Anziehungskraft auf magnetisierbare Objekte führt.
Magnetisierbarer Stahl wird grundsätzlich immer in Richtung zunehmender Feldstärke gezogen. Ein Span z.B. an die Endkante eines Bauteils, ein Werkstück in die Ecke einer Entmagnetisierspule, weil dort die höchste Feldstärke vorherrscht. Nur in einem komplett homogenen Feld gibt es keine Anziehungskraft auf entmagnetisierten, ferromagnetischen Stahl.
Magnetische Anziehung von bearbeitetem austenitischen Stahl
Ein häufiger Fall aus der Praxis ist der Bedarf austenitischen Stahl (V2A, V4A etc.) nach Bearbeitung, Verformung usw. wieder komplett unmagnetisch zu machen, damit keine magnetischen Anziehungskräfte oder andere magnetische Störeffekte auftreten können. Mechanische Bearbeitung kann durch Gefügeveränderung (Austenit -> Martensit) lokal zu einer Erhöhung der Permeabilitätszahl führen.
Durch Entmagnetisierung mit Wechselfeld kann die magnetische Anziehungseigenschaft eines austenitischen Stahls bei inhomogen Feldern nicht eliminiert werden. Die relative magnetische Permeabilität wird durch den Prozess nur minimal verändert. Permeabilitätsveränderungen können normalerweise nur durch spezielle Glühverfahren erreicht werden.
Produkte:
