Titel: Magnetische Eigenschaften des Stahls.
Autor: Anonymus
Fundstelle: 1901, Band 316 (S. 513–515)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj316/ar316114

Magnetische Eigenschaften des Stahls.

Es werden in der Elektrotechnik verschiedene Stahlsorten verwendet und ist es für den Konsumenten, sowie für den Fabrikanten sehr wichtig, die Eigenschaften, welche der Stahl bei der Magnetisierung zeigt, zu kennen.

Für Dynamo und Motorenanker, sowie Transformatorenkerne wird ein ganz weiches Flusseisen verlangt, welches einen möglichst geringen Hysteresisverlust verursacht.

Für Messinstrumente, Zähler und sonstige Instrumente, welche mit einem permanenten Magneten arbeiten, wird eine Stahlsorte benötigt, welche eine grosse Unveränderlichkeit des Magnetismus, sowie eine hohe Arbeit der Ummagnetisierung sichert.

Anker und Transformatorenbleche, welche einen möglichst geringen Hysteresisverlust erzeugen, werden bereits in guter Qualität hergestellt. Die Verluste für bestimmte Sorten sind bereits genügend festgelegt.

Bevor auf die Beschreibung der Eigenschaften des Stahls eingegangen wird, sollen einige Messmethoden kurz angegeben werden.

Zur Messung der magnetischen Vorgänge im Eisen verwendet man meistens Stäbe mit rundem oder quadratischem Querschnitt.

Eine einfache Methode zur Messung der Vorgänge ist die Messung des Ausschlagwinkels einer Magnetnadel, welche von einer Spule, in die ein Kern des zu untersuchenden Eisens gesteckt ist, beeinflusst wird. Nimmt man an, dass der Eisenkern bei Beginn des Versuches keinen Magnetismus besitzt, so erhält man eine Magnetisierungskurve, indem man die Grösse der magnetisierenden Kraft von Null bis zu einem Maximum steigen lässt, durch Aufzeichnung der Werte der magnetisierenden Kraft als Abscissen und der Werte der magnetischen Induktion als Ordinaten, auf ein rechtwinkliges Koordinatensystem.

Lässt man nun die Werte der magnetisierenden Kraft allmählich wieder abnehmen, so erhält man wieder durch Aufzeichnung der genannten Werte eine Kurve, welche sich jedoch mit der ersten in keiner Weise deckt.

Wird die magnetisierende Kraft gleich Null, so behält das Eisen einen gewissen Magnetismus, den man den remanenten nennt.

Soll das Eisen keinen Magnetismus mehr behalten, also wieder in den Urzustand gebracht werden, so muss die magnetisierende Kraft im negativen Sinne weiter zunehmen, demnach auch die Werte der magnetischen Induktion negative werden. Diese entmagnetisierende Kraft nennt man die Koercitivkraft.

Die Kurven treffen sich in gewissen Punkten und schliessen hierdurch einen Flächenraum ein, dessen Grösse proportional der Arbeit ist, welche erforderlich war, um das Eisenstück von dem positiven Maximum zu dem negativen Maximum und umgekehrt zu magnetisieren. Diese Arbeit setzt sich in Wärme um, und bringt eine Temperaturerhöhung des Eisens hervor. Der ganze Vorgang repräsentiert also gewissermassen eine magnetische Reibung, auch Hysteresis genannt.

Auch der durch S. Thompson konstruierte Durchlässigkeitsmesser ist zur Messung obengenannter Kräfte zu verwenden, und kann man die eine Methode zur Kontrollierung der anderen benutzen.

Man wird dann die Windungszahlen und die Grösse der Spulen gleich wählen. Zur Bestimmung des magnetischen Momentes des zu untersuchenden Eisen Stückes seibemerkt, dass das Eisenstück durch ein den gleichen Nadelausschlag erzeugendes Solenoid ersetzt werden kann. Das magnetische Moment eines Solenoids ist durch seine Dimensionen und die Stromstärke bestimmt, und damit auch das Moment des Stabes. Die Messung des die Stabmitte senkrecht durchsetzenden Kraftlinienflusses geschieht, indem der Ausschlag, welchen das Abziehen einer Prüfspule über die eine Hälfte des zu untersuchenden Stabes hinweg im ballistischen Galvanometer hervorbringt, verglichen wird mit dem Ausschlag, welcher nach. Vertauschung des zu untersuchenden Stabes mit einem magnetisch bekannten Normalstabe entsteht. Die Normalstäbe können leicht mit Hilfe des ballistischen Galvanometers durch Vergleich mit äquivalenten Solenoiden geaicht werden, und können im Verlauf der Untersuchung öfters auf ihre Konstanz geprüft werden.

Das Koercitivfeld kann ermittelt werden, indem man den Prüfstab mit aufgesetzter Prüfspule in die Mitte eines langen Solenoids bringt, und die Stromstärke in der letzteren allmählich so weit vergrössert, bis der Stab vollkommen entmagnetisiert ist, was durch Abziehen der Prüfspule im ballistischen Galvanometer erkannt wird, da dasselbe dann keinen Ausschlag der Nadel mehr hervorbringt. Das Feld, welches in diesem Augenblick im Inneren des Solenoids herrschte, ist dann das gesuchte Koercitivfeld.

Zur Aufnahme der Hysteresisschleife von Ringen kann folgende Methode angewandt werden.

Jeder Ring soll aus zwei aufeinander gepassten und mit Magnetisierungsspulen umwickelten Halbringen bestehen.

Die eine der beiden Verbindungsstellen wird mit einer im Stromkreise eines ballistischen Galvanometers liegenden Prüfspule umgeben.

Man befestigt nun die untere Hälfte des vertikal stehenden Ringes und bringt an der oberen Hälfte einen Hebelarm mit Gewicht an, derart, dass durch Freilassen des Gewichtes die obere Hälfte durch einen plötzlichen Ruck von der unteren Hälfte abgerissen werden kann.

Die Prüfspule verbindet man dann mit einer gespannten Gummischnur, so dass diese, sobald der Spalt zwischen der oberen und unteren Hälfte des Ringes entsteht, aus dem magnetischen Felde gerissen wird.

In dieser Weise kann man an den Ringen jeden Punkt der Hysteresisschleife bestimmen.

Zur Bestimmung der Temperatur, bei welcher die magnetische Transformation des Eisens vor sich geht, kann man sich folgender einfachen Einrichtung bedienen.

Man legt das zu untersuchende Eisenstück in einen von einer Platinspirale heizbaren Porzellancylinder, welcher zur Verminderung der Abkühlung von einem mit einer festen Schicht von gebrannter Magnesia ausgefütterten Thonrohr umhüllt ist. Der Strom zum Heizen dient dabei gleichzeitig zum Magnetisieren des Eisenstückes.

Eine kleine Magnetnadel wird sich dann unter dem Einfluss des ihr gegenüberstehenden Poles in einen rechten Winkel zum erdmagnetischen Meridian, dem die Längsachse des Ofens parallel gerichtet sein soll, einstellen. Das Magnetfeld des Stromes wird keinen grösseren Einfluss auf die Nadel ausüben.

Bei hohen Temperaturen aber, wo das Eisen nicht mehr magnetisch ist, muss sich die Nadel wieder im magnetischen Meridian einstellen. Sobald sich nun die Lage der |514| Nadel anfängt zu ändern, beginnt die magnetische Transformation des Eisens, und ist es dann leicht, die Temperatur zu bestimmen.

Soll ein Eisen stück gehärtet werden, so muss, wie bekannt, diese Temperatur unter allen Umständen überschritten werden.

Zur Erhitzung von Ringen sind Bäder von geschmolzenen Chloriden, die elektrisch durch eine Nickeldrahtspule geheizt werden, besser auszuführen, da sonst keine gleichmässige Erhitzung eintreten würde. Die Temperatur ist am besten mittels Thermoelements und Galvanometers zu messen. Zur Aichung kann man bekannte Schmelzpunkte von Metallen und Metalloiden verwenden.

Nimmt man an, dass die Ablenkung der Galvanometernadel proportional der Temperatur ist, so wird wohl kein sehr genaues Resultat erzielt werden, da die Kurve der thermoelektromotorischen Kraft innerhalb eines grossen Temperaturintervalls von einer Geraden abweicht, jedoch dürfte das Resultat als sehr angenähert zu betrachten sein und im allgemeinen der praktischen Anforderung genügen.

Im allgemeinen genügt zur Bestimmung der Hysteresisschleife die Kenntnis dreier Punkte derselben, und zwar der Maximalintensität des induzierten Magnetismus, die Intensität des remanenten Magnetismus und das Koercitivfeld.

Bei Ringen ist es jedoch jedenfalls besser, die Schleife der Hysteresis vollständig aufzunehmen.

Nun möge zur Besprechung der magnetischen Eigenschaften des Stahls übergegangen werden.

Die Intensität des induzierten Magnetismus eines Stabes ist bei gleichen magnetischen Feldern kleiner als die eines aus dem Stabe gebogenen Ringes, und zwar um so mehr, je geringer die Länge des Stabes im Verhältnis zu seinem Querschnitte ist.

Diese Erscheinung wird hervorgerufen durch, das von dem freien Stabende herrührende entmagnetisierende Feld.

Verschwindet der Magnetismus des Stabes, so erreicht im gleichen Augenblicke das entmagnetisierende Feld den Nullwert.

Es besteht demnach kein Unterschied des Koercitivfeld es zwischen dem im Stabe und Ring gemessenen Werte.

Natürlich davon abgesehen, dass nicht in allen Querschnitten des Stabes gleichzeitig der Magnetismus verschwindet, die Stabenden vielmehr schon in umgekehrter Richtung leicht magnetisch sind, wenn die Stabmitte unmagnetisch wird. Der hierdurch bewirkte Unterschied der beiden Koerzitivfelder beträgt etwa 1 bis 1,5 % maximal.

Einen grossen Einfluss übt diese Ungleichförmigkeit auf die Magnetisierungsintensität.

Drückt man das totale magnetische Moment durch das Stabvolumen mal der Intensität der Magnetisierung aus, so erhält man einen Mittelwert, der aber kleiner als der Wert der Magnetisierungsintensität in der Mitte des Stabes ist, und zwar schwankt die Differenz zwischen 18 und 22 %, also im Mittel etwa 20 %.

Der Quotient der beiden Werte gibt das Verhältnis des Polabstandes zur Stablänge.

Für permanente Magnete muss die Konstanz der Magnetisierung sehr gross sein, demnach auch das Koercitivfeld.

Nun ist aber die Intensität der remanenten Magnetisierung im geschlossenen magnetischen Kreise für eine grosse Anzahl Stahlsorten und weiches Eisen fast vollständig gleich, obwohl das Koercitivfeld für sehr weichen Stahl einen Wert unter 1, für andere Stahlsorten dagegen oft den Wert 80 überschreitet, so dass Stahlsorten mit einem schwachen Koercitivfeld für permanente Magnete nicht verwendbar sind. Die Magnetisierung im offenen Stromkreise darf dann nur geringe Intensität der Magnetisierung besitzen, da notwendigerweise das entsprechende entmagnetisierende Feld schwächer als das Koercitivfeld bleiben muss.

Durch Stösse und Erschütterungen wird die Konstanz der Magnete herabgesetzt. Die Einwirkung der Stösse ist zum Anfang am grössten und wird allmählich immer kleiner. Die remanente Magnetisierungsintensität strebt dann asymptotisch einem Endwert zu, der schwächer ist als der ursprüngliche Wert.

Es finden sich jedoch auch Einzelwerte, die den regelmässigen Lauf der Magnetisierungskurve nicht einhaltenund den Anschein erwecken, als ob mit einemmal eine neue Molekülgruppe in Mitleidenschaft gezogen wird.

Der prozentuale Gesamt Verlust an Magnetisierung durch Erschütterungen wird um so kleiner, je grösser das Koercitivfeld, demnach je kleiner die Magnetisierungsintensität ist.

Durch eine teilweise Entmagnetisierung nach der Sättigung eines angelassenen Stabes, die für harten Stahl etwa 10 % der maximalen Intensität beträgt, werden die Stäbe gegen die Einwirkung der Stösse unempfindlich. Es muss jedoch die direkte Entmagnetisierung stets grösser sein als der Verlust, den der gesättigte Stab durch die Stösse würde erlitten haben.

Die Natur der Stäbe wird durch dies Verfahren nicht verändert, denn das Koercitivfeld bleibt fast konstant.

Es ist natürlich vorzuziehen, die Messung des Koercitivfeldes sehr genau anzustellen, da die kleinsten Veränderungen die Natur der Stäbe verändern kann.

Ueber die Einwirkung der Temperaturschwankung sind folgende Sätze von Wichtigkeit.

Ein gehärteter Stahlstab erleidet durch langdauernde Erwärmung auf 60° keine Veränderung der Magnetisierung mehr, wenn derselbe nach der Härtung bei der gleichen Temperatur angelassen, darauf gesättigt und schliesslich um etwa 1/10 entmagnetisiert wird.

Ein derart behandelter Magnet zeigt auch für eine bestimmte Temperatur immer denselben Wert der Magnetisierung, welcher sich mit Hilfe des Temperaturkoeffizienten vorausberechnen lässt. Dieser Koeffizient ist negativ und hängt auch von der Form des Magneten und von der Magnetisierung ab.

Ist das Koercitivfeld sehr gross, so werden keine bleibenden Störungen fremder Magnetfelder zu verzeichnen sein.

Nach der Entmagnetisierung um 1/10 bringen Felder, welche die gleiche Grösse des zur Entmagnetisierung erforderlichen Feldes haben, fast gar keine Veränderungen hervor.

Die grössten Veränderungen, die beobachtet sind, betragen 0,1 bis 0,3 %. Grössere Felder bringen augenblicklich grosse Veränderungen hervor, und darf auch die Entmagnetisierung nicht zu weit getrieben werden, da sonst der Einfluss benachbarter Felder unter Umständen wieder zunehmen kann.

Einige Eisensorten mit etwa 0,06 % Kohlenstoff haben die Eigenschaft, dass ihr Koercitivfeld und remanente Magnetisierungsintensität mit der Härtetemperatur, die zwischen 800 und 1025° liegt, wächst. Weicher Stahl mit 0,2 % Kohlenstoff ist dem Einfluss der Härtetemperatur nicht unterlegen und zeigt, falls die Temperatur zwischen 785 und 915° bleibt, keine Veränderung des Koercitivfeldes, sowie der remanenten Magnetisierungsintensität.

Stahl mit 0,5 % Kohlenstoffgehalt weist gleichfalls keinen Unterschied der magnetischen Eigenschaften auf, falls die Temperatur der Härtung zwischen 770 und 835° bleibt.

Findet die Härtung aber bei 920° statt, so wird das Koercitivfeld und die remanente Magnetisierungsintensität schwächer, so dass es vorteilhafter ist, die Härtung unter 835° vorzunehmen.

Harter Stahl mit 0,84 bis 1,25 % Kohlenstoff zeigt, dass das Koercitivfeld, sowie die remanente Magnetisierungsintensität mit der Härtungstemperatur abnimmt.

Man soll also von möglichst niedriger Temperatur oberhalb des Transformationspunktes aus härten, und ist die Erhitzung nicht zu lange auszudehnen, da sonst der Stahl verbrennen würde, so dass dieser dann zur Magnetisierung so gut wie unbrauchbar wird.

Obige Resultate sind als Einzelbeobachtungen aufzunehmen und ist eine Verallgemeinerung nicht beabsichtigt.

Kohlenstoffstahl mit 1,1 bis 1,2 % Kohlenstoff ergibt durchschnittlich die maximalen. Werte des Koercitivfeldes mit 62 Einheiten und der remanenten Magnetisierungsintensität mit 460 Einheiten.

Bor, Silicium und Mangan in geringen Mengen üben keinen merklichen Einfluss auf diese Werte aus.

Manganstahl mit 13 % Mangan hat dagegen besondere Eigentümlichkeiten.

Ist er nämlich gehärtet, so ist seine Magnetisierung |515| unmöglich; angelassen ist die Intensität der remanenten Magnetisierung sehr gering, das Koercitivfeld dagegen sehr gross, und beträgt dasselbe etwa 135 Einheiten.

Nickel, Chrom und Kupfer verbessern die Eigenschaften.

Am besten eignen sich zu permanenten Magneten Wolfram- und Molybdänstahl. Wolframstahl wird gegenwärtig am meisten angewandt. Ein solcher Stahl mit 3 % Wolfram und 1,1 % Kohlenstoff ergibt ein Koercitivfeld von 74 Einheiten und eine remanente Magnetisierungsintensität von 530 Einheiten.

Stahl mit 3,5 bis 4 % Molybdän und 1,25 % Kohlenstoff gibt ein Koercitivfeld von 85 Einheiten und eine remanente Magnetisierungsintensität von 530 Einheiten.

Man ersieht hieraus, dass Molybdänstahl für permanente Magnete vorzuziehen ist, da das Koercitivfeld grösser als bei Wolframstahl mit ungefähr dem gleichen Kohlenstoffgehalt ist. Auch nimmt die Magnetisierungsintensität ab, während das Koercitivfeld konstant bleibt und bei einigen Stahlsorten sogar wächst.

Die erhaltenen Werte für Stäbe stimmen fast allgemein mit den Werten für Ringe überein.

Zu dem über Erschütterungen Bemerkten sei hinzugefügt, dass die durch die verursachten Veränderungen in der Natur des Stahlstabes am besten durch Messung der elektrischen Widerstände beobachtet werden können. Auch das Koercitivfeld kann man zur Kontrolle benutzen; es muss jedoch dann eine sehr empfindliche Methode der Messung benutzt werden.

Findet das Anlassen des Stahles bei 200° statt, so beträgt der Verlust etwa 50 %, bei 100° etwa 12 bis 13 % des Koercitivfeldes.

In der Praxis wird man sich mit einem 24stündigen Anlassen bei 60 oder 70° begnügen, und beträgt der Verlust des Koercitivfeldes dann nur 1 bis 3 %.

Um also jedem grösseren Verlust vorzubeugen, thut man gut, den Stahl etwa 45 bis 50 Stunden lang nach der Härtung bei 60 bis 70° anzulassen, dann bis zur Sättigung zu magnetisieren und schliesslich partiell zu entmagnetisieren.

Die Grösse der Entmagnetisierung ist abhängig von der Form des Magneten, beträgt aber im Mittel für kurze Stäbe mit mittelmässigem Querschnitt etwa 1/10 des zur Sättigung erforderlichen magnetischen Feldes.

S. H.

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