Technologie Entmagnetisieren

Was passiert im Inneren eines ferromagnetischen Werkstoffes beim Magnetisieren? Das äussere Magnetfeld (H-Feld) richtet die Elementarmagnete im Inneren eines Werkstoffes aus.

Die Elementarmagnete in ferromagnetischen Werkstoffen befinden sich nicht frei im Material, sondern sind in Domänen gruppiert. Diese Domänen (auch Weiss’sche Bezirke genannt) sind durch Blochwände voneinander getrennt. Die Grösse der Domänen liegt in der Regel unter 100 µm (bei nicht magnetisiertem Material), die Dicke der Blochwände beträgt nur einige hundert Atomabstände.

Die Blochwände werden mit ansteigendem äusseren Magnetfeld und dem damit verbundenen magnetischen Fluss (B-Feld) im Werkstoff verschoben. Dieser induzierte magnetische Fluss steigt aber nicht gleichmässig an, sondern in kleinen, unstetigen Sprüngen, den sogenannten Barkhausen-Sprüngen. Mit wachsendem Magnetfeld bilden sich somit immer grössere Domänen mit anschliessend gleicher Ausrichtung der Elementarmagnete. Im Idealfall entsteht bei der magnetischen Sättigung eine einzige grosse Domäne mit magnetisch verankerten Elementarmagneten. Ferromagnetische Werkstoffe behalten nach einer Magnetisierung einen mehr oder weniger hohen Magnetismus zurück, auch Restmagnetismus oder Remanenz genannt.

Eine Entmagnetisierung ist dann erfolgreich, wenn der Entmagnetisierungspuls so ausgelegt wird, dass nach dem Erreichen der maximal benötigten Feldstärke alle Elementarmagnete, auch diejenigen im Inneren des Materials, in eine Richtung umgepolt werden. Beim anschliessenden Reduzieren der Feldstärke werden zunächst die Elementarmagnete homogenisiert. Durch den Schütteleffekt der Frequenz wird eine feine Domänenstruktur erzeugt. Dies geschieht zunächst im Inneren des Bauteiles. Die Elementarmagnete im äusseren Bereich und an der Oberfläche werden aber noch weiterhin umgepolt, bis das angelegte Entmagnetisierfeld vollständig abgeklungen ist. Somit wird das Bauteil von innen nach aussen entmagnetisiert.

Geringfügig magnetisierte Bauteile, die erst verschobene Blochwände im Material aufweisen, bei denen aber noch keine Verankerung der Elementarmagneten stattgefunden hat, können mit einem geringeren Entmagnetisierfeld bearbeitet werden als voll magnetisiertes Material.

Hat sich ein ferromagnetischer Werkstoff erst einmal magnetisiert, so bleibt diese Magnetisierung theoretisch für unbeschränkte Zeit bestehen.
Ein magnetischer Werkstoff kann mit folgenden Methoden entmagnetisiert werden:

1. Erhitzen des Produktes über die Curie-Temperatur.
2. Starke Vibration (Hammerschlag), die mittels Eigenmagnetfeld zu einer geringen Abnahme der Magnetisierung führen kann.
3. Entmagnetisieren durch ein äusserlich angelegtes, alternierend abnehmendes, magnetisches Wechselfeld.
4. Schieben des Magnetfeldes durch Anlegen eines gegen die Polarität gesetzten Magnetfeldes über die Umpolung hinaus mit anschliessendem Abstellen der Feldquelle. Der Magnetismus im Bauteil springt bei exakt dosierter Feldeinstellung nahe zum Nullpunkt. Diese Methode wird Knock-down-Entmagnetisieren genannt.

Einzelne Stahlsorten gelten als unmagnetisch. Dies ist jedoch nicht immer der Fall und sorgt häufig für Verwirrung. Speziell beim Edelstahl reicht die Materialbezeichnung allein nicht aus, um die magnetischen Eigenschaften bestimmen zu können. Die Bandbreite innerhalb der Materialklasse kann magnetisch und auch nichtmagnetisch sein. Die magnetischen Eigenschaften hängen vom Gefüge im Inneren des Stahls ab. Man unterscheidet folgende Gefüge:

• austenitisch
• ferritisch
• martensitisch

Ob ein Stahl magnetisch ist oder nicht, kann ganz einfach mit dem Magnettest festgestellt werden: Haftet ein Magnet, ist er ferritisch oder martensitisch. Austenitische Edelstähle sind in der Regel nicht magnetisch. Das Gefüge von austenitischem Stahl kann sich jedoch beim Umformen ändern und martensitisch werden. Nur durch einen Glühprozess kann das martensitische Gefüge wieder zurück in ein austenitisches umgewandelt werden, aber nur, wenn das Bauteil dies auch erlaubt.

Nein, beim Entmagnetisieren werden die physikalischen Eigenschaften nicht verändert. Das Gefüge bleibt martensitisch (μr > 1) und ist wieder magnetisierbar. Durch das Entmagnetisieren von Stahl erhält man keinen nichtmagnetischen, austenitischen Edelstahl. Das Entmagnetisieren entfernt lediglich eine allenfalls im Material vorhandene Magnetisierung.

Ein abnehmendes magnetisches Wechselfeld kann im Prinzip auf zwei Arten erzeugt werden:

1.  Entmagnetisieren durch eine Distanzzunahme
   Das zu entmagnetisierende Bauteil wird in der Regel mit mässiger und gleichbleibender Geschwindigkeit durch einen Entmagnetisiertunnel oder über einen Platten- bzw. Jochentmagnetisierer gezogen. Dabei wird das magnetische Wechselfeld, aufgrund der Distanzzunahme des Bauteiles zur Quelle des Magnetfeldes, stetig schwächer. Dabei hängt die Entmagnetisierungsleistung im Wesentlichen von der erzeugten Feldstärke ab, die Eindringtiefe wird aber von der Frequenz des Wechselfeldes bestimmt. Die Geschwindigkeit, mit der das Bauteil aus dem Wechselfeld ausgebracht werden kann, ist ebenfalls von der Frequenz abhängig. Dabei ist es wichtig, dass das Bauteil noch ausreichenden Schwingungen während des abnehmenden Wechselfeldes ausgesetzt wird.

2. Entmagnetisieren durch einen Entmagnetisierpuls
   Die zweite Variante ist das statische Entmagnetisieren mit einem Entmagnetisierpuls. Das Bauteil wird dabei nicht bewegt, sondern eine Steuereinheit steuert mit Strom das magnetische Wechselfeld. Das magnetische Wechselfeld wird zunächst auf die maximale Feldstärke hochgefahren und anschliessend monoton abfallend auf ein Nullfeld reduziert.

• Die geringe Feldstärke kann wärmebedingt dazu führen, dass bei einem Bauteil die Elementarmagnete bei der maximalen Feldstärke nicht alle ausgerichtet werden. Dies führt dazu, dass die Elementarmagnete, die nicht ausgerichtet werden konnten, für einen erhöhten Restmagnetismus sorgen. Durch eine Reduktion der Frequenz kann die Eindringtiefe optimiert werden. In der Regel werden dazu Frequenzumrichter eingesetzt, um die Frequenz des Netzanschlusses zu verändern. Bei einer Pulsentmagnetisierung kann die Feldstärke, dank der kurzzeitigen Einschaltdauer, um ein Vielfaches verstärkt werden. Eine Überhitzung der Spule tritt dank geregelter Taktzeit und einer maximalen Stromdauer von wenigen Hundertstelsekunden nicht ein. Die somit viel höheren magnetischen Feldstärken garantieren bei einer richtigen Auslegung eine vollständige und prozessfähige Entmagnetisierung, auch im Inneren des Materials.
• Dank der Pulsentmagnetisierung, im Besonderen mit der Maurer-Degaussing^®-Technologie, können grosse Baugruppen entmagnetisiert werden. Zum Beispiel spart das Entmagnetisieren von Stanzwerkzeugen ohne deren Zerlegung Zeit und verhindert den Verlust der Einstellungen. Mit den leistungsfähigen Anlagen können auch komplett gefüllte Waschkörbe mit Schüttgut innerhalb weniger Sekunden entmagnetisiert werden. Dies führt zu einer sehr hohen Produktivität der Entmagnetisierungsanlage.
• Die Pulsentmagnetisierung bietet höchste Prozesssicherheit, da der Pulsverlauf auf seine vorgegebenen Eigenschaften kontrolliert werden kann. Bei gleichbleibender Positionierung der Bauteile kann ein optimales Resultat erwartet werden. Eine prozessfähige Null-Fehler-Entmagnetisierung ist mittels einer Pulsentmagnetisierung umsetzbar.

Eine Entmagnetisierung mit der Maurer Degaussing^® Technologie bietet Ihnen entscheidende Vorteile gegenüber herkömmlichen Entmagnetisierungssystemen:

Hohe Feldstärke

Die Feldstärke ist einer der wichtigsten Prozessparameter bei der Entmagnetisierung. Es genügt, wenn die maximale Feldstärke für kurze Zeit und für die Dauer von wenigstens einer kompletten Sinusschwingung erzeugt wird. Der maximale Wechselstrom, der typischerweise durch eine Kupferspule fliesst, wird physikalisch durch den induktiven und ohmschen Widerstand begrenzt. Um trotz dieser Widerstände einen möglichst grossen Wirkstrom fliessen lassen zu können, werden die Maschinen mit der Maurer Degaussing^® Technologie mit einem Mehrfachen der verwendeten Netzspannung betrieben.

Präzise abnehmendes Wechselfeld

Ist das Feldstärkemaximum erreicht, so muss der Entmagnetisierungspuls präzise und monoton fallend abklingen. Die Präzision, mit der der Strom abnimmt, hat einen direkten Effekt auf das Ergebnis der Entmagnetisierung. Auch kleinste Unregelmässigkeiten hemmen die willkürliche und homogene Verteilung der magnetischen Struktur im Bauteil.

Perfekte Feldsymmetrie im Auslauf

In der Schlussphase des Pulses bewirkt bereits die geringste Abweichung der Symmetrie zwischen dem Nord- und Südpol der wirkenden Feldstärke auf das Bauteil einen Restmagnetismus. Eine Symmetrieabweichung kann auch durch ein induziertes Magnetfeld von aussen, typischerweise das Erdmagnetfeld, erfolgen. Somit ist der Restmagnetismus nicht nur der Präzision des Entmagnetisierpulses geschuldet. Dieser Effekt tritt vornehmlich bei lang gestreckten Teilen und bei Schüttgut auf.

Reine Wirkleistung

Die Induktivität (eine mit Wechselspannung betriebenen Spule) im Betrieb erzeugt unerwünschten Blindstrom und Blindleistung, die das Netz und die Installationen unnötig belasten und Kosten verursachen. Das Maurer Degaussing^® Verfahren kompensiert diese Blindleistung vollständig und verbraucht ausschliesslich Wirkleistung.

Maurer Magnetic hat mit der Maurer Degaussing^® Technologie alle physikalischen Möglichkeiten für ein wirtschaftliches, effizientes und ganzheitliches Entmagnetisieren ausgereizt.

Mit dieser Technologie kann nicht nur eine Entmagnetisierung bis unter das Erdmagnetfeld erreicht werden. Die Technologie garantiert ausserdem Prozessfähigkeit, ist enorm produktiv und besonders energiesparend.

Umschliessendes Entmagnetisierungsfeld

Während des Entmagnetisierens ist das Bauteil idealerweise komplett von einem möglichst homogenen Entmagnetisierungsfeld umschlossen. Aus diesem Grund verwenden wir für unsere Anlagen in der Regel typischerweise Entmagnetisierspulen und keine Joche.

Mehr über die Maurer Degaussing^® Technologie

Eine Tunnelspule (Luftspule) ist ein einfacher Entmagnetisierer, der normalerweise direkt am Netz mit 50/60 Hertz betrieben wird. Das abnehmende Wechselfeld wird durch Distanzzunahme erreicht, d. h., das Bauteil muss gleichmässig durch die Spule bewegt werden. Der Bereich nach der Spule wird Auslaufbereich genannt. Je nach Geometrie des Bauteils und Grösse der Spulenöffnung entspricht der Auslaufbereich ca. dem Drei- bis Sechsfachen der Spulenbreite.

• lange Auslaufstrecke wird benötigt
• schwache bis mässige Feldstärke (< 30 kA/m)
• Entmagnetisierwirkung hängt von Bewegung und Form des Bauteils ab
• hohe Blindleistung und schlechter Wirkungsgrad

Ein Plattenentmagnetisierer arbeitet mit einer innen liegenden Spule mit Eisenkern resp. einem Joch. Der magnetische Fluss wird über das Joch auf Polplatten geleitet und zwischen den beiden Polplatten im Luftspalt gebündelt. Im schmalen Wirkbereich des Luftspaltes können so sehr hohe Feldstärken erreicht werden, jedoch ist die Wirktiefe mit einigen wenigen Millimetern eng begrenzt, weshalb sich das Verfahren nur für dünne Bauteile eignet. Wie bei einer Tunnelspule wird das abnehmende Wechselfeld i. d. R. durch die Bewegung oder Distanzzunahme gegenüber der Polplatte erzeugt.

• inhomogenes Feld und daher grosser Einfluss der Position des Bauteils und dessen Grösse
• Entmagnetisierwirkung hängt von Bewegung des Bauteils ab
• typischerweise flache Bauteile
• typische Eindringtiefe < 10…15 mm
• teilweise keine hundertprozentige Einschaltdauer
• Bei manueller Bedienung ist die Feldexposition oft über dem erlaubten Grenzwert.
• mögliches Zerkratzen von sensiblen oder polierten Bauteilen

Ein Jochentmagnetisierer ist im Wesentlichen gleich aufgebaut wie ein Plattenentmagnetisierer, jedoch ohne Polplatten. Der magnetische Fluss wird weniger stark konzentriert, wodurch ein grösserer Streufluss entsteht. Die Feldstärke ist entsprechend geringer.

• oft ungenügende Feldstärke
• Entmagnetisierwirkung hängt von der Bewegung des Bauteils ab
• typischerweise flache Bauteile
• typische Eindringtiefe <15…20 mm
• meist keine hundertprozentige Einschaltdauer
• Bei manueller Bedienung ist die Feldexposition oft über dem erlaubten Grenzwert.
• mögliches Zerkratzen von sensiblen oder polierten Bauteilen

Bei einem Entmagnetisierungsdoppeljoch wird ein Joch unterhalb und eines oberhalb des Bauteils platziert. Die Doppeljochentmagnetisierer werden aufgrund der möglichen Höhenverstellung oft bei grösseren Bauteilen oder Teilen in Warenträgern eingesetzt.

• homogenes Feld nur bei flachen Platten und gleichhohen Bauteilen
• Höheneinstellung nahe an das Werkstück erforderlich
• Feldabbruch bei Verlassen des Wirkbereichs
• Entmagnetisierwirkung hängt von Bewegung des Bauteils ab
• meist keine hundertprozentige Einschaltdauer
• oft ungenügende Feldstärke
• nur für flache, nicht abgesetzte Bauformen geeignet

Um Permanentmagnete zu entmagnetisieren, wird ein Magnetfeld mit sehr hoher Feldstärke benötigt, denn Magnete bestehen aus Magnetwerkstoffen, die eine viel höhere Koerzitivkraft (wikipedia/Koerzitivfeldstärke) als Eisen oder Stahl aufweisen. Nach der eigentlichen Herstellung und Bearbeitung werden Magnete durch ein sehr starkes Magnetfeld, abhängig vom Magnetwerkstoff von bis zu 5 Tesla Feldstärke*, magnetisiert. Bei Magneten aus seltenen Erden ist das Magnetfeld von konventionellen industriellen Entmagnetisieranlagen nicht stark genug, um das Magnetmaterial in den magnetischen Ursprungszustand zu versetzen. Dies nicht zuletzt infolge der starken magnetischen Verankerung und der Magnetisierungskeimbildung.

*Samarium Cobalt 2/17

AlNiCo

Das am leichtesten zu entmagnetisierende Magnetmaterial. Mit Feldstärken ab 350 kA/m ist eine vollständige Entmagnetisierung dieser Werkstoffe zu erzielen, ohne einen Nachteil der magnetischen Eigenschaften zu erhalten.

Hart-Ferrit

Hart-Ferrit-Magnete lassen sich am besten durch Erwärmen in einem Ofen mit über 450 °C entmagnetisieren. Zudem lassen Sie sich mit einer leistungsstarken Entmagnetisieranlage und ggf. mit entsprechenden Flusskonzentratoren gut entmagnetisieren. Hierbei werden Feldstärken von über 800 kA/m benötigt. Der Ausgangszustand wird bis auf geringe Restmagnetfelder erreicht.

Die zurückgebliebenen magnetische Keime haben zur Folge, dass erhöhte Feldstärken zum Wiederaufmagnetisieren benötigt werden als bei im Ofen entmagnetisierten Magneten.

Es ist kein Nachteil in den magnetischen Eigenschaften zu erwarten.

Plastoferrit

Plastoferrite enthalten nicht genügend hitzebeständige Kunststoffe als Bindemittel, was das Entmagnetisieren im Ofen ausschliesst. Einzige Möglichkeit sind leistungsstarke Entmagnetisierer.
Es ist kein Nachteil in den magnetischen Eigenschaften zu erwarten.

Neodym

Neodym-Magnete lassen sich auch durch ein sehr starkes Magnetfeld nur schlecht entmagnetisieren. Durch Erhitzen ist eine Entmagnetisierung leichter möglich. Das Material wird dadurch allerdings geschwächt. Nach einer Wiederaufmagnetisierung wird der Ausgangszustand nicht mehr ganz erreicht und die Leistung der Neodym-Magnete wird um etliche Prozente reduziert. Zudem sind diese Magnettypen meistens mit einer typischerweise galvanischen Beschichtung versehen, die ebenfalls Schaden nimmt. Abgesehen vom Erwärmen kann das Knock-down-Verfahren angewandt werden.

Samarium Cobalt

Verhält sich ähnlich wie die Neodym-Magnete. Das Material ist sehr spröde, jedoch bedarf es infolge seiner Korrosionsbeständigkeit keiner Beschichtung. Somit ist die Entmagnetisierung im Ofen die bevorzugte Methode, da zur Wechselfeldentmagnetisierung sehr hohe Feldstärken von über 4’000 kA/m benötigt würden. Auch wäre durch die Keimbildung keine vollständige Entmagnetisierung möglich. Auch hier verliert der Werkstoff bei der Entmagnetisierung durch Wärme etliche Prozente von seinen magnetischen Eigenschaften.