Messen von Restmagnetismus

Restmagnetismus in Bauteilen messen Sie üblicherweise mit einem handgeführten Magnetfeld-Messgerät. Diese Messgeräte werden Magnetometer, Feld-Messgeräte, Gaussmeter oder Teslameter genannt.

Die Magnetisierung eines Bauteils können Sie nur an dessen Oberfläche effektiv messen. Dort treten die Magnetfeld-Linien aus dem Material heraus und können vom Messgerät erfasst werden. Ab einem Abstand von 2mm über der Bauteiloberfläche ist aber teilweise bereits Schluss – ab da werden Sie vor allem feinpoligen Magnetismus kaum noch aufspüren können.

Das Messergebnis ist ausserdem abhängig von der Konstruktion und Gestaltung der Sonde des Messgeräts, deren Position sowie von der Konfiguration des Magnetfeldes selbst.

Es ist nirgendwo verbindlich festgelegt, wie Sie beim Messen von Restmagnetismus vorgehen sollen – es existieren keine Normen. Es werden zwar firmeninterne Standards formuliert, aber diese sind in einer Lieferkette mit verschiedenen solchen Standards nicht miteinander kompatibel. So kommt es zu Unstimmigkeiten und Missverständnissen. Deshalb sollten Sie zu jedem Messwert beschreiben, wie Sie diesen gemessen haben und in welcher Umgebung. So kann Ihr Kunde oder ein anderer Empfänger des Werkstücks Ihren Messwert interpretieren und nachvollziehen.

Die wichtigsten Punkte beim Messen von Restmagnetismus

Beim Messen von Restmagnetismus, insbesondere von feinpoligem Restmagnetismus, sollten Sie vor allem auf das richtige Gerät, die geeignete Suchmethodik sowie auf magnetische Einflüsse der Umgebung achten, um korrekte und reproduzierbare Messergebnisse zu erhalten. Zusammengefasst sind es die folgenden Punkte, die wir Ihnen nahelegen möchten:

1. Verwenden Sie ein Messgerät, von dem Sie die Konstruktion und Gestaltung der Sonde kennen sowie den Abstand zwischen dem im Gerät verbauten Sensor und der Oberfläche Ihres Bauteils beim Messen.
2. Definieren Sie vor dem Messen eine geeignete Suchmethodik, damit Sie reproduzierbare und vergleichbare Ergebnisse erhalten.
3. Achten Sie auf den Einfluss von magnetischen Feldern in der Umgebung. Das Erdmagnetfeld ist ein solches Magnetfeld und kann Ihre Messung stark beeinflussen – denn äussere Felder werden im Bauteil konzentriert und bei länglichen Bauteilen nicht selten bis zum 20-fachen verstärkt. Dieser induzierte Magnetismus addiert sich vektoriell zum Restmagnetismus des Bauteils.

Restmagnetismus auf der Oberfläche eines Bauteils messen

Restmagnetismus auf der Oberfläche von Bauteilen ist positionsabhängig. So kann es sein, dass auf Ihrem Bauteil ein einziger, winziger Bereich magnetisch ist, während der Rest des Bauteils keinen Magnetismus aufweist. Das bedeutet für Sie, dass Sie die gesamte Oberfläche des Bauteils mit einer Hall-Sonde abscannen müssen. Denn wenn Sie nur einzelne Punkte auf der Oberfläche messen, sagt das nichts über den magnetischen Gesamtzustand des Bauteils aus.

Die magnetische Anziehung hängt übrigens nicht nur von der Feldstärke ab, sondern auch von der Partikelform und vom Feldgradienten. Schlanke Partikel werden stärker angezogen als kugelförmige. Ecken und vorspringende Kanten, etwa von Gewinden, erzeugen aufgrund der Feldkonzentration höhere Feldstärken und Feldgradienten und ziehen dadurch magnetisierbare Partikel stärker an. Deshalb müssen Sie Ecken und Kanten verstärkt auf Restmagnetismus hin prüfen.

Magnetismus im Inneren eines Bauteils messen

Sie können die Magnetisierung im Innern eines Bauteils nur aus dem an der Oberfläche gemessenen Restmagnetismus antizipieren – direkt messen können Sie einen geschlossenen Magnetkreis im Inneren eines Bauteils nicht. Das Problematische bei diesem Szenario ist, dass Sie den Magnetismus nicht messen können, er aber trotzdem da ist – sollte das Bauteil zum Beispiel auseinandergetrennt werden, treten die Feldlinien aus und das Bauteil wird magnetisch. Deshalb empfehlen wir generell, sich nicht auf Messungen zu stützen, sondern grundsätzlich mit einer geeigneten Entmagnetisierungsmethode zu entmagnetisieren. Nur das garantiert letztlich eine hohe Produktqualität.

Kann ich Restmagnetismus auch automatisch messen?

Das ist ein viel geäusserter Wunsch in der industriellen Produktion – anstatt Magnetismus anhand von manuell gemessenen Stichproben zu ermitteln, hätten viele Praktiker gerne ein automatisiertes Verfahren, das eine einfachere Bestimmung der Qualität der Gesamtproduktion zulässt. Feinpoliger Restmagnetismus kann aber aufgrund seiner Beschaffenheit grundsätzlich nur durch manuelles Abscannen der Oberfläche eines Bauteils ermittelt werden. Allerdings gibt es gewisse Anwendungen, wo es möglich ist, mit hochsensiblen Sensoren auch in grösserer Distanz entmagnetisierte Bauteile von nicht entmagnetisierten zu unterscheiden. Auf dem Markt existieren solche hochsensiblen Magnetfeldsensoren – bei uns ist es der A-Test-LT. Da sich diese Geräte aber nur für bestimmte Anwendungen eignen, empfehlen wir Ihnen, genau abzuklären, ob sie sich auch für Ihre Zwecke anwenden lassen.

Damit Sie Restmagnetismus an Ihren Bauteilen aufspüren können, ist es wichtig, dass Sie ein geeignetes Messgerät verwenden. Insbesondere bei räumlich begrenzten Magnetfeldern oder bei feinpoligem Restmagnetismus ist es entscheidend, dass Sie das richtige Messgerät mit der geeigneten Sonde einsetzen.

Anforderungen an ein Messgerät zum Messen von Restmagnetismus

Das optimale Messgerät weist folgende Eigenschaften auf:

• Digitale Anzeige (Display) des Messwertes mit Auflösung 0.1 A/cm, 0.01 T oder 0.1 Gauss (oder besser) und mit guter Nullpunktstabilität
• Automatische „Peak-Hold“ Funktion mit schneller Reaktion zur Ermittlung des maximalen Messwertes
• Gut erkennbarer Hallsensor zur genauen Positionierung auf der Oberfläche des Bauteils
• Sehr hilfreich ist eine mit dem Hallsensor kombinierte LED, die schon bei geringen Restmagnetismus-Feldern < 2 A/cm anspricht. Ein so erkanntes Magnetfeld kann dann engmaschiger abgescannt werden.

Bei feinpoligem Restmagnetismus nehmen die Magnetfeldlinien zwischen Nord- und Südpol kurze Wege. Das bedeutet, dass Sie bereits in einem Abstand von wenigen Millimetern über der Oberfläche des Bauteils die magnetischen Stellen praktisch nicht mehr detektieren können – obwohl die Feldliniendichte an der Oberfläche sehr hoch sein kann und das Bauteil z.B. ferromagnetische Partikel stark anzieht.

Deshalb ist es wichtig, dass der im Messgerät verbaute Hallsensor einen Abstand zur Oberfläche aufweist, der deutlich unter 1mm liegt. Wenn der Abstand zu gross ist, kann es sein, dass Ihr Messgerät einen zu tiefen Magnetismus-Wert anzeigt. Folgendes sind die Eigenschaften einer geeigneten Sonde:

• Abstand der Hallefekt-Zone zur Bauteiloberfläche ~0.5mm
• Kein magnetischer Flusssammler
• Genau positionierbar

Messfehler bei feinpoliger Magnetisierung

Hallsonden mit Flusssammlern sind ungeeignet, weil Flusssammler den Streufluss bei feinpoligem Restmagnetismus kurzschliessen. Dieser Umstand führt dazu, dass Sie oft nichts mehr messen.

Messfehler bei Dipol-Magnetisierung

Im Fall von Dipol-Magnetisierungen hingegen zeigen Ihnen Messgeräte mit Flusssammlern einen zu hohen Messwert an: Wird ein Messgerät mit Flusssammler für die Messung einer Dipol-Magnetisierung verwendet, so leitet der Flusssammler die weitreichenden Streufelder konzentriert auf den Hallsensor und erhöht tendenziell den Messwert.

Nicht definierte Vorgehensweisen, ein ungeeignetes Messgerät, die Einwirkung des Umgebungsfeldes während der Messung: Diese Faktoren sind dafür verantwortlich, dass Resultate von Restmagnetismus-Messungen ungenau sind und Sie sie nur schlecht reproduzieren können.

Damit Sie Restmagnetismus-Messungen reproduzieren können, spielen folgende Punkte eine wesentliche Rolle:

Geeignetes Messgerät:

• Wie bereits im Kapitel “Geeignete und ungeeignete Messgeräte für Restmagnetismus” ausführlich erklärt, brauchen Sie ein Messgerät mit einer digitalen Anzeige mit guter Auflösung, einer automatischen Peak-Hold-Funktion und einem gut erkennbaren Hallsensor mit LED.
• Ausserdem muss der Messabstand zwischen der Oberfläche des Bauteils und der aktiven Hallzone in der Sonde spezifiziert sein (empfohlener Standard = 0.5mm).

Messumgebung:

• Die Messung sollte nur unter magnetisch abgeschirmten Bedingungen stattfinden, am besten innerhalb einer Null-Gauss-Kammer.
• Die Messung im Erdmagnetfeld ist nur für Grenzwerte > 10A/cm oder für Bauteile mit grossen Abmessungen sinnvoll.

Suchmethodik:

• Der Restmagnetismus auf der Oberfläche des Bauteils muss mit der Sonde gescannt werden, punktuelle Messungen sind nicht oder nur wenig aussagekräftig.
• Der Bedienereinfluss auf das Messergebnis ist gross, idealerweise setzen Sie geschultes Personal ein. Sie können diesen Einfluss auch dadurch minimieren, indem Sie ein Messgerät mit schneller Abtastrate und Höchstwertspeicher einsetzen.

Um reproduzierbare Restmagnetismus-Messungen zu erhalten, müssen Sie also einerseits ein geeignetes Messgerät verwenden, andererseits sämtliche Einflüsse bei der Messung von Restmagnetismus kennen und diese entsprechend steuern. Wir empfehlen Ihnen, diese Einflüsse sowie Ihre Gegenmassnahmen bei der Messung schriftlich festzuhalten.

Einfluss des Erdmagnetfeldes bei Restmagnetismus-Messung

Das Magnetfeld der Erde hat im Mittel eine Stärke von ~0.03 bis 0.06mT. Die Richtung der Feldlinien verläuft im Freien im Wesentlichen parallel zur N-S Achse, in Mitteleuropa mit einer Neigung von ca. 45° zur Erdoberfläche.

In Gebäuden, wie zum Beispiel in Stahllagern oder in Räumen mit grossen Werkzeugen und Maschinen, wird das Erdmagnetfeld zusätzlich durch umgebende ferromagnetische Strukturen bezüglich Richtung und Stärke verzerrt.

Beim Messen von Restmagnetismus haben Erdmagnetfeld und Umgebungsfeld einen grossen Einfluss:

Ein ferromagnetisches Bauteil zieht die Feldlinien von umgebenden Magnetfeldern an. Die Stärke der induzierten Magnetfelder hängt von der Permeabilität des Werkstoffes, der Geometrie, der Grösse und von der Orientierung des Bauteils zum Umgebungsfeld ab. Steht beispielsweise ein Bauteil längs zu den Feldlinien des Erdmagnetfeldes, werden diese in das Bauteil induziert und die Magnetisierung des Bauteils kann um ein Mehrfaches des Umgebungsfeldes verstärkt werden. Der Grund: Ein Bauteil aus Eisen und Stahl leitet 3000- bis 5000-mal besser als Luft und die Magnetisierung des Bauteils wird entsprechend verstärkt.
Steht das gleiche Bauteil quer zu den Feldlinien des Erdmagnetfeldes, werden deutlich geringere Feldstärken induziert (s.h. Abbildung).

Wenn das Werkstück unter dem Einfluss des Erdmagnetfeldes steht, wird der Gesamtfluss gemessen, der sich aus den Komponenten Restmagnetismus des Bauteils und dem gesammelten induzierten Fluss des Umgebungsfeldes zusammensetzt.

Somit können Sie bei unterschiedlichen Umgebungsverhältnissen die gemessenen Werte von ferromagnetischen Bauteilen nicht mehr reproduzieren.

Der Einfluss von Umgebungsfeldern ist also einer der Gründe, warum Sie und Ihr Kunde unterschiedliche Messergebnisse erhalten können, obwohl Sie beispielsweise die gleiche Suchmethodik angewendet haben.

Ideale Umgebung für das Messen von Restmagnetismus

Idealerweise messen Sie den Restmagnetismus auf Ihren Bauteilen in einer nahezu feldfreien Umgebung. Indem Sie die Messung von Restmagnetismus in einer Umgebung stattfinden lassen, die vom Erdmagnetfeld oder anderen Umgebungsfeldern abgeschirmt ist, werden Ihre Messungen nicht mehr durch induzierte Magnetfelder beeinflusst und Ihre Messergebnisse werden präzise und reproduzierbar. Sie können Ihre Messumgebung auf zwei Arten vom Erdmagnetfeld abschirmen:

• mit einer Null-Gauss-Kammer – einer passiven Abschirmkammer aus Wänden aus hochpermeablem Material,
• oder mit einer aktiven Helmholtz-Kammer, deren Seiten aus Spulen bestehen, die das Erdmagnetfeld im Innern durch Gegenfelder kompensieren. Die Helmholtz-Kammer eignet sich insbesondere für grössere Bauteile.

Die geeignete Suchmethodik

Damit Sie diese maximale Magnetisierung aufspüren können, empfehlen wir Ihnen, die gesamte Oberfläche Ihres Werkstücks mit der Sonde eines Magnetfeldmessgeräts abzuscannen. Auf keinen Fall dürfen Sie von einem punktuellen Messen von Restmagnetismus auf der Oberfläche Ihres Werkstücks auf den magnetischen Gesamtzustand schliessen.

Die gemessen Werte variieren auch je nach Abstand zwischen Sonde und Oberfläche des Werkstücks und je nach Messmethode, die Sie bestimmt haben – das heisst, abhängig davon, ob Sie das Werkstück abscannen oder nur punktuelle Messungen durchführen, erhalten Sie unterschiedliche Resultate.

Falls Sie ein Messgerät verwenden, bei dem ein Höchstwert-Speicher für Restmagnetismus fehlt, ist es zudem sehr schwierig, den relevanten maximalen Restmagnetismuswert zu bestimmen.

Am besten bestimmen Sie vor der Messung eine geeignete Suchmethodik, wobei sich diese von einer Art des Werkstücks zur anderen unterscheiden kann – ein Wälzlager müssen Sie anders scannen als ein Gewinde. Damit Sie ein reproduzierbares Ergebnis erhalten, empfehlen wir Ihnen, geschultes Personal einzusetzen und das Vorgehen in Ihrem Qualitätsmanagement entsprechend festzulegen.

Eine weitere Möglichkeit, die Magnetisierung eines Bauteils zu bestimmen, ist die Messung des magnetischen Moments. Dabei wird nicht direkt das magnetische Moment gemessen, sondern das vom Bauteil austretende Magnetfeld bei definiertem Abstand und verschiedener Ausrichtung. Über Formeln wird dann das magnetische Moment berechnet.

Messung des magnetischen Moments: Der magnetisch Fluss B wird in definiertem Abstand aus allen Richtungen gemessen und danach das magnetische Moment berechnet.

Insbesondere Anwendungen im Bereich der Luft- und Raumfahrt sowie der Forschung verwenden oft das magnetische Moment zur Bestimmung der Magnetisierung. Bauteile von Satelliten müssen oft genau geprüft werden, denn auch geringer Restmagnetismus beeinflusst die Messeinrichtungen auf dem Satelliten.

Für eine präzise Bestimmung des magnetischen Moments müssen die das Bauteil umgebenden Magnetfelder im nT-Bereich gemessen werden können. Damit keine Messfehler passieren, muss dabei das Umgebungsfeld während der gesamten Messung stabil gehalten werden. Wird in einem nicht speziell abgeschirmten Gebäude gemessen, kann zum Beispiel ein draussen vorbeifahrendes Motorfahrzeug das Messergebnis bereits so stark beeinflussen, dass das Ergebnis unbrauchbar wird. Präzise magnetische Moment-Messungen werden daher nicht selten in abgelegenen Orten fern von zivilen Einflüssen durchgeführt.

Maurer Magnetic verfügt über ein hochsensibles, dreiachsiges Fluxgate Magnetometer und kann für Sie die Messung des magnetischen Moments durchführen. Die Messung des magnetischen Moments wird beispielsweise nach der Entmagnetisierung durchgeführt und stellt sicher, dass die von uns entmagnetisierten Bauteile für Satelliten oder andere sensitiven Messeinrichtungen Grenzwerte des magnetischen Moments von 0.2mA/m2 nicht überschreiten.