Messgerätetechnologie

Wird ein ferromagnetischer Werkstoff einem äusseren Magnetfeld ausgesetzt, erhält das Werkstück je nach Material und Form eine mehr oder weniger starke Magnetisierung. Die Magnetisierung erfolgt in drei Stufen. Zuerst verschieben sich die Bloch-Wände und beginnen zu fusionieren. Später richten sich die Elementarmagnete des Werkstoffs nach dem äusseren Magnetfeld aus und werden zuletzt im Material verankert (magnetischer Dipol). Dies passiert zum Beispiel durch das Anhaften eines Magneten am Bauteil oder bei der Verwendung von magnetischen Spannmitteln. Die Stärke des Magnetfelds wird als Feldstärke H in der Einheit A/m (Ampere/Meter) gemessen. Nach dem Entfernen des äusseren Magnetfeldes bleibt ein gewisser Teil der Magnetisierung im Bauteil zurück. Dieser Teil wird als Remanenz oder auch als Restmagnetismus bezeichnet; hier werden je nach Wirtschaftsraum die Einheiten A/m, A/cm, mT (miliTesla) oder Gauss verwendet.

Die erste magnetische Beeinflussung des Bauteils geschieht bereits im Stahlwerk. Nach dem Glüh- oder Walzprozess können ferromagnetische Stähle beim Abkühlen unter dem Einfluss des Erdmagnetfelds magnetisiert werden. Folgende drei Kategorien von Restmagnetismus können in ferromagnetischen Bauteilen vorkommen:

• Dipolmagnetisierung des Bauteils mit einer Hauptpolausbildung
• Feinpolige Magnetisierung, das ist eine Magnetisierung an der Teileoberfläche mit einer kleinen Reichweite des magnetischen Streufelds
• Mischform aus beiden Magnetisierungsarten in verschiedenen Teilbereichen des Bauteils

Die Fertigungsprozesse im Stahlwerk führen tendenziell zu keiner Magnetisierung des Rohteils. Solche Teile können sogar eine aus magnetischer Sicht ideale neutrale magnetische Struktur aufweisen.

Erst der Kontakt mit magnetischen Hebe- und Spannvorrichtungen zerstören den idealen magnetischen Zustand sowie die in der Industrie weit verbreitete magnetische Rissprüfung.

Feinpoliger Restmagnetismus entsteht im Verlauf eines weiteren Herstellungsprozesses: Dabei kann ein Bauteil unzählige Male mit mehr oder weniger starken Magnetfeldern zufälliger Polung in Kontakt kommen. Diese können von verschiedenen Quellen oder Verfahren stammen, wie zum Beispiel von Linearschwingern, Schneidewerkzeugen, Härteprozessen oder Ähnlichem. Solche magnetischen Einwirkungen führen tendenziell zu einer feinpoligen Magnetisierung des Bauteils.

Die nachfolgende Liste zeigt auf, welche Prozesse einen Restmagnetismus entstehen lassen können und wie hoch dieser ausfallen kann. Die Remanenz ist abhängig vom Material des Bauteils, welchen den Prozess durchläuft; die angegebenen Werte sind jeweils Richtwerte, gemessen mit einer Hall-Sonde bei einem Messabstand von 0,5 mm.

• >100 A/cm Rissprüfung (Magnetpulver- und Streuflussprüfung)
• >100 A/cm Einsatz von Lasthebe- bzw. Handlingsmagneten (permanent oder elektrisch)
• 50–>100 A/cm Einsatz von Spannmitteln (permanent oder elektrisch)
• 50–>100 A/cm Abstellen von Magnetständern (z. B. Messuhren)
• 30–60 A/cm Schweissverfahren
• 30–50 A/cm Bearbeitung mit magnetisierten Werkzeugen, Spannmitteln etc.
• 30–40 A/cm Handling mit magnetisierten Werkzeugen, Aufnahmen, Greifern etc.
• 10–20 A/cm Galvanische und elektroerosive Prozesse (Verchromen, Erodieren etc.)
• 5–15 A/cm Einige PVD-Beschichtungsprozesse (z. B. Magnetronsputtern)
• 5–15 A/cm Umformprozesse (Gefügeveränderung im Material)

Hier finden Sie ein paar Beispiele, wie sich ein bestimmter Magnetismuswert auf ein Objekt auswirken kann:

• > 1000 A/cm = Stärke eines Dauermagneten.
•   20–200 A/cm = Magnetisierung nach Kontakt mit einer Magnetspannplatte, abhängig von der Materialbeschaffenheit.
• > 10 A/cm = Bauteile beginnen aneinanderzuhaften.
• > 8 A/cm = Metallspäne bleiben haften.
• > 4 A/cm = Kleinste Metallteile haften und verschmutzen das Werkstück.
• > 2 A/cm = Schleifstaub haftet.
• > 1,5 A/cm = Elektronenstrahlschweissen wird beeinträchtigt.
• ~ 0,4 A/cm Ungefähr die Feldstärke des Erdmagnetfelds.

Restmagnetismus in Bauteilen werden üblicherweise mit einem handgeführten Magnetfeldmessgerät gemessen. Diese Messgeräte werden Magnetometer, Feldstärkemessgeräte, Gaussmeter oder Teslameter genannt.

Die Magnetisierung eines Bauteils ist nur an dessen Oberfläche effektiv messbar. Dort treten die Magnetfeldlinien aus dem Material heraus und können von den Sensoren der Messgeräte erfasst werden. Bereits ab einem Abstand von 2 mm über der Bauteiloberfläche ist teilweise die Grenze erreicht – ab da wird feinpoliger Magnetismus kaum noch aufzuspüren sein.

Das Messergebnis hängt daher stark von der Konstruktion und Gestaltung der Messsonde ab.
Der Abstand des Sensors zur Messoberfläche spielt dabei eine wesentliche Rolle. Ist die Sonde zudem mit einem Flusssammler ausgerüstet, können sich die Messergebnisse nochmals wesentlich verändern.

Es ist nirgendwo verbindlich festgelegt, wie beim Messen von Restmagnetismus vorgegangen werden muss, denn es existieren keine Normen. Es werden zwar firmeninterne Standards formuliert; diese sind in einer Lieferkette jedoch meist nicht miteinander kompatibel. So kommt es zu Unstimmigkeiten und Missverständnissen. Deshalb muss zu jedem Messwert beschrieben werden, mit welchem Messsystem und in welcher Umgebung dieser ermittelt wurde. So kann der jeweilige Messwert des Werkstücks korrekt interpretiert werden. Schlanke Messonden welche nicht speziell zum Messen von Restmagnetismus direkt auf der Bauteiloberfläche konzipiert sind, können durch bereits geringe mechanische Belastung wie verbiegen der Sonde zu erheblichen Messfehlern führen.

Beim Messen von Restmagnetismus ist ein Messgerät zu verwenden, welches auch kleinräumige Magnetfeldausprägungen sicher erfassen und die Werte anzeigen kann. Für die geeignete Suchmethodik müssen die folgenden Punkte beachtet werden:

1. Es sollte ein Messgerät verwendet werden, dass sich in der Industrie bereits etabliert hat und wofür Messverfahren existieren. In Europa hat sich das von uns hergestellte Messgerät zu einem Quasistandard etabliert. Asien bedient sich ebenfalls Gerätschaften mit einer ähnlichen Ausprägung. In den USA ist noch die Messung mittels Gaussmeter als Zeigeruhr weit verbreitet.
2. Vor dem Messen definiert man eine geeignete Suchmethodik, damit die Ergebnisse reproduzierbar und vergleichbar werden.
3. Magnetische Felder in der Umgebung des Messplatzes können das Messergebnis verfälschen. Der Restmagnetismus des Bauteils wird überlagert vom Umgebungsfeld, welches durch das Bauteil hindurchgeleitet wird. Dieser induzierte Magnetismus addiert oder subtrahiert sich vektoriell zum Restmagnetismus des Bauteils. Besonders an Ecken und Kanten treten meist starke Feldkonzentrationen auf, welche die Messwerte massiv verfälschen. Beispielsweise kann ins Bauteil induziertes Erdmagnetfeld an solchen Stellen oder bei schlanken länglichen Bauteilen, um einen Faktor 5 – 10-verstärkt austreten.

Bei einer feinpoligen Magnetisierung ist ein möglichst geringer Abstand des Sensors zur Oberfläche notwendig, da die Feldlinien direkt an der Oberfläche des Bauteils liegen. Ein Messgerät mit Flusssammler ist ungeeignet, da diese den Streufluss des feinpoligen Restmagnetismus glätten, was dazu führt, dass nichts mehr gemessen werden kann. Messuhren, welche besonders in den USA verbreitet sind, können keinen feinpoligen Magnetismus detektieren, hauptsächlich weil der Sensorabstand zum Bauteil zu gross ist.

Eine Magnetisierung im Innern eines Bauteils kann nur sehr begrenzt aus dem an der Oberfläche gemessenen Restmagnetismus antizipiert werden – zerstörungsfrei kann ein geschlossener Magnetkreis im Innern eines Bauteils nicht gemessen werden. Das Trügerische bei diesem Szenario: Es wird kein Magnetismus gemessen, aber er ist trotzdem vorhanden. Problematisch am Magnetismus im Innern eines Bauteils ist, dass dieser mit der Zeit seine Umgebung magnetisieren kann, wodurch er wieder nach aussen tritt. Wenn nun das Bauteil aufgetrennt wird, können die in sich geschlossenen Feldlinien an der Schnittfläche austreten. Es wird daher empfohlen, sich nicht ausschliesslich auf Messungen an der Oberfläche zu stützen. Es empfiehlt sich, grundsätzlich mit einer geeigneten Entmagnetisierungsmethode zu entmagnetisieren, welche die Bauteile durch die Prozessführung magnetisch beherrscht. Nur dies garantiert letztendlich eine hohe Produktqualität.

Ein häufig geäusserter Wunsch in der industriellen Produktion: Anstatt Magnetismus anhand von manuell gemessenen Stichproben zu ermitteln, wollen viele Unternehmen gerne ein automatisiertes Verfahren, das ein einfaches Bestimmen der Qualität der Gesamtproduktion zulässt. Der feinpolige Restmagnetismus kann aber aufgrund seiner Beschaffenheit grundsätzlich nur durch ein manuelles Abscannen direkt auf der Bauteiloberfläche ermittelt werden. Bei gewissen Anwendungen kann es möglich sein, hochsensible Sensoren zu verwenden, welche auch über eine grössere Distanz entmagnetisierte Bauteile von nicht entmagnetisierten unterscheiden können. Auf dem Markt existieren solche hochsensiblen Magnetfeldsensoren, zum Beispiel der A-Test LT. Da sich diese Geräte aber nur für bestimmte Anwendungen eignen, muss vorab genau abgeklärt werden, ob man solch ein System anwenden kann oder nicht.

Um Restmagnetismus an den Bauteilen aufspüren zu können, ist es wichtig, ein geeignetes Messgerät zu verwenden. Insbesondere bei räumlich begrenzten Magnetfeldern oder bei feinpoligem Restmagnetismus ist auf einen geringen Abstand der Messsonde zur Oberfläche des Bauteils zu achten.

Ein optimales Messgerät weist folgende Eigenschaften auf:

• digitale Anzeige (Display) des Messwerts mit Auflösung 0,1 A/cm, 0,01 mT oder 0,1 Gauss und mit einem geringen Drift
• eine Funktion, um automatisch die höchsten gemessenen Werte zu halten, gekoppelt mit einer schnellen Abtastrate zur Ermittlung des maximalen Messwerts; vorteilhaft: die Möglichkeit zur Speicherung beider Pole (Nord- und Südpol)
• gut erkennbarer Hall-Sensor, damit eine genaue Positionierung auf der Oberfläche des Bauteils vorgenommen werden kann
• sehr hilfreich: eine mit dem Hall-Sensor kombinierte LED, die schon bei geringen Restmagnetismusfeldern (< 2 A/cm) anspricht (keine Stellen mit potenziellem Magnetfeld übersehen; Möglichkeit zu engmaschigerem Abscannen eines so erkannten Magnetfelds)
• möglichst naher Abstand des im Messgerät verbauten Hall-Sensors zur Oberfläche (ansonsten Gefahr, dass zu tiefer oder gar kein Magnetismuswert angezeigt wird)

Folgendes sind die Eigenschaften einer geeigneten Sonde:

• Abstand der Hall-Effekt-Zone zur Bauteiloberfläche: ~ 0,5 mm
• kein magnetischer Flusssammler
• mechanisch stabile Sonde
• genau positionierbar
• schnelles Ansprechen auf Magnetfelder

Nicht definierte Vorgehensweisen, ein undefiniertes oder untaugliches Messgerät, die Einwirkung eines Umgebungsfelds während der Messung: Diese Faktoren sind für ungenaue Restmagnetismusmessungen verantwortlich. Die Resultate weichen stark voneinander ab, sind ungenau und nur schlecht reproduzierbar.

Um reproduzierbare Restmagnetismusmessungen erhalten zu können, spielen zusätzlich folgende zwei Punkte eine wesentliche Rolle:

1. 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 > 10 A/cm oder für Bauteile mit grossen Abmessungen als zulässig zu erachten. Um möglichst reproduzierbare Messergebnisse zu erhalten, ist eine immer gleiche Ausrichtung des Bauteils anzustreben, am besten in Ost-West-Ausrichtung.
2. Suchmethodik:
   • Der Restmagnetismus auf der Oberfläche des Bauteils muss mit der Sonde ganzflächig abgescannt werden. Punktuelle Messungen sind nicht oder nur wenig aussagekräftig.
   • Der Bedienereinfluss auf das Messergebnis ist gross, idealerweise ist geschultes Personal einzusetzen.

Wir empfehlen, die Messmethodik und eingesetzten Messmittel jeweils schriftlich festzuhalten.

Das Magnetfeld der Erde hat im Mittel eine Stärke von ~ 0,03 bis 0,06 mT. Die Richtung der Feldlinien verläuft im Freien im Wesentlichen parallel zur Nord-Süd-Achse, in Mitteleuropa mit einer Neigung von ca. 45° zur Erdoberfläche.

In Räumen mit grossen Maschinen kann das Erdmagnetfeld zusätzlich durch umgebende ferromagnetische Strukturen in Richtung und Stärke verzerrt werden.

Ein ferromagnetisches Bauteil zieht die Feldlinien der umgebenden Magnetfeldern an. Die Stärke der induzierten Magnetfelder hängt dabei von der Permeabilität des Werkstoffs, der Geometrie, der Grösse und der Orientierung des Bauteils im Umgebungsfeld ab. Steht beispielsweise ein Bauteil in Richtung zu den Feldlinien des Erdmagnetfelds, werden diese in das Bauteil induziert, und die Magnetisierung des Bauteils kann um ein Mehrfaches des Umgebungsfelds verstärkt werden. Der Grund: Ein Bauteil aus Eisen und Stahl leitet 700- bis 5000-mal besser als Luft, und die Magnetisierung des Bauteils wird entsprechend verstärkt (oder bei gegenläufiger Feldrichtung vermindert).

Steht das gleiche Bauteil quer zu den Feldlinien des Erdmagnetfelds, werden deutlich geringere Feldstärken induziert (siehe nachstehende Abbildung).

Idealerweise werden die Bauteile in einer nahezu feldfreien Umgebung gemessen.
Dies gilt im Besonderen bei zusammengesetzten Baugruppen. Die induzierten Felder breiten sich sehr unterschiedlich im Bauteil aus und verhindern so eine exakte Messung.
Die Anfangspermeabilität eines ferromagnetischen Werkstoffs kann sehr hoch sein, sodass eine Halbierung des Umgebungsfelds bereits eine Reduktion um ein 5-Faches des induzierten Felds ausmachen kann. Demnach ist für eine reproduzierbare Messung ein Abschirmfaktor von 5 bereits mehr als ausreichend.

Eine Abschirmung kann mittels einer Null-Gauss-Kammer – einer passiven Abschirmkammer mit Wänden aus hochpermeablem Material – erreicht werden. Es gibt aber auch die Möglichkeit, mit einer aktiven Helmholtz-Kammer, deren Seiten aus Spulen bestehen, welche das Erdmagnetfeld im Innern durch mittels elektrisch bestromter Spulen erzeugte Gegenfelder eine Verdrängung homogen auftretender Magnetfelder erwirken. Die Helmholtz-Kammer eignet sich besonders für grössere Bauteile.

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; dies muss in einem definierten Abstand und in jeder Achse gemessen werden. Über Formeln kann dann das magnetische Moment berechnet werden.

Besonders Anwendungen im Bereich der Luft- und Raumfahrt sowie der Forschung verwenden oft das magnetische Moment zur Bestimmung der Magnetisierung. Bauteile von Satelliten müssen genauestens geprüft werden, denn schon geringster Restmagnetismus kann die Messeinrichtungen auf dem Satelliten beeinflussen.

Für eine präzise Bestimmung des magnetischen Moments müssen die Magnetfelder welche das Bauteil umgeben im nT-Bereich gemessen werden können. Damit keine Messfehler entstehen, muss dabei das Umgebungsfeld während der gesamten Messung stabil gehalten werden. Wird in einem nicht speziell abgeschirmten Gebäude gemessen, kann zum Beispiel ein in bis über 100 Metern vorbeifahrendes Motorfahrzeug das Messergebnis bereits so stark beeinflussen, dass das Messergebnis unbrauchbar wird. Präzise magnetische Momentmessungen werden daher nicht selten an abgelegenen Orten fernab von äußeren Einflüssen der Zivilisation durchgeführt.