DGZfP-JAHRESTAGUNG 2003

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Auswertung der statischen Magnetisierungskurve zur Kontrolle von Gefüge- und Behandlungszuständen bei Stählen

Ulf-Dietger Hünicke, Stefan Möller, Institut für Werkstoffkunde (IWK), Universität Rostock
Kontakt: Hünicke Ulf-Dietger Prof. Dr.-Ing. habil.

Kurze Zusammenfassung

Es wurde die statische Magnetisierungskurve von weichmagnetischen Stählen ausgewertet, um folgende Einflüsse auf die magnetischen Kennwerte zu untersuchen:

Legierungszusammensetzung, Gefüge, Rissbildungen.

Die magnetischen Kennwerte bezogen sich auf die Veränderungen der Remanenz Br, der Koerzitivfeldstärke HCB, der maximalen relativen Permeabilität mrmax, der Sättigungsinduktion Bmax, der Sättigungsfeldstärke Hmax sowie der Feldstärke bei maximaler Permeabilität H(mrmax).

Zusätzlich wurde die Funktion mr=f(H) dargestellt.

Als Bezugsgröße wurden bei den unlegierten Stählen der C-Gehalt, der Gefügezustand und die Härte HV5 sowie die Bildung von Querrissen ausgewählt. Bei den normalgeglühten Stählen wurden die magnetischen Eigenschaften der Legierungszusammensetzung zugeordnet. Es wurden "magnetic materials signature functions" dargestellt und interpretiert.

Keywords
Magnetisierungskurve, magnetische Kennwerte, Gefüge, Legierungszusammensetzung, Stähle

1.Einführung

Die magnetischen Eigenschaften von Stählen sind besonders für elektrotechnische Konstruktionen von großer Bedeutung. Dazu kommt die Möglichkeit, dass es mit Hilfe der magnetischen Kennwerte gelingt, die Legierungszusammensetzung, den Gefüge- und Behandlungszustand und Gefügerisse zu charakterisieren.

Über diese Korrelationen können wiederum Bezüge zu den mechanischen Eigenschaften der Stähle hergestellt werden.

Für jeden Stahl und Stahlzustand gibt es eine spezifische magnetische Kennwertmatrix, von der sogenannte "magnetic materials signature functions" (MMS-Funktionen) abgeleitet werden, die zur Sortenanalyse herangezogen werden können.

Es existieren bisher nur wenige Daten über die magnetischen Eigenschaften von Stählen und diese sind dann noch ohne Angaben zum Gefüge- und Behandlungszustand tabelliert worden. Über die Wirkung der verschiedenen Gefügeausbildungen auf die magnetischen Kennwerte gibt es bisher keine klaren Vorstellungen. Lediglich zum Einfluß der Korngröße und der Martensitausbildung sind Deutungsversuche gemacht worden.

In der vorliegenden Arbeit werden Messergebnisse an Stählen vorgestellt, die aus umfangreichen eigenen Untersuchungen stammen. Damit soll ein Beitrag zum Verständnis der metallkundlichen Zusammenhänge bezüglich der Wirkung im magnetischen Gleichfeld geleistet werden. Daraus ergeben sich konkrete Schlussfolgerungen für die Materialcharakterisierung von Stählen mit Hilfe von magnetischen Methoden.

2.Experimentelle Untersuchungen

Untersuchungsgegenstand waren zunächst 5 unlegierte untereutektoide Stähle, die im normalgeglühten Zustand mit einem ferritisch-perlitischen Grundgefüge vorlagen. Die Legierungszusammensetzung wurde mit der Emissionsspektrometrie und die Gefügeausbildung metallografisch kontrolliert. In der nachfolgenden Tabelle 1 sind die Ergebnisse der Werkstoffanalyse zusammengestellt worden.

C[%] Si[%] Mn[%] Cr[%] Mo[%] Ni[%] Cu[%]
0,20 0,32 0,46 0,062 0,015 0,03 0,14
0,35 0,23 0,44 0,060 0,017 0,05 0,16
0,42 0,18 0,72 0,073 0,019 0,08 0,17
0,57 0,33 0,57 0,140 0,030 0,05 0,19
0,78 0,23 0,16 0,020 0,012 <0,005 0,059
Tabelle 1: Werkstoffanalyse der unlegierten Stahlproben.

Im normalgeglühten Zustand wurden außerdem noch weitere 5 legierte Stähle in die Untersuchungen mit eingezogen, deren Analysenwerte in der Tabelle 2 enthalten sind.

Stahl C[%] Si[%] Mn[%] Cr[%] Mo[%] Ni[%] Cu[%]
17Mn4 0,14 0,29 0,98 0,026 0,001 0,02 0,01
19Mn5 0,20 0,50 1,26 0,033 0,005 0,02 0,06
9SMn28 0,12 0,03 1,01 0,11 0,014 0,05 0,12
C20 0,20 0,32 0,46 0,062 0,015 0,03 0,14
X40Cr13 0,44 0,58 0,42 13,4 0,036 0,14 0,16
23NiCrMo2 0,22 0,55 1,36 0,579 0,386 0,75 0,05
Tabelle 2: Werkstoffanalyse der legierten Stahlproben.

Die statischen Magnetisierungskurven wurden mit einem speziellen Meßsystem vom Typ "Qualimeter" der Fa. Magnet-Physik aufgenommen, das im weichmagnetischen Bereich auf dem System "Remagraph" basierte und Gleichfeldmessungen gemäß IEC-Standard (IEC-404-4) ermöglichte. Die Messanlage ist im Bild 1 dargestellt.


Bild 1: Magnetisches Meßsystem "Qualimeter".

Zur Auswertung gelangten die Meßgrößen:

  • Hysteresekurven B=f(H), J=f(H)
  • Remanenz Br[T]
  • Koerzitivfeldstärke HCB [kA/m]
  • Koerzitivfeldstärke HCJ [kA/m]
  • maximale relative Permeabilität mrmax
  • Sättigungsfeldstärke Hmax
  • Sättigungsinduktion Bmax
  • Feldstärke bei maximaler Permeabilität H(mrmax)
  • Permeabilitätsfunktion mr=f(H)

Durch eine gezielte Wärmebehandlung wurde das ferritisch-perlitische Gefüge in das Härtegefüge Martensit bzw. in das Gefügegemisch Martensit + Restaustenit umgewandelt.

Das Abschrecken aus dem Austenitbereich erfolgte mit fließendem Wasser bis auf Raumtemperatur. Zur Kontrolle wurde die Vickershärte HV5 ermittelt. Zum Nachweis von besonders im eutektoiden Bereich auftretenden Rissnetzwerken stand die Magnetpulverprüfung zur Verfügung. Um den grundsätzlichen Einfluß von Rissen senkrecht zur Magnetfeldrichtung auf die Kennwerte zu erkunden, wurden Modelluntersuchungen mit simulierten Rissbreiten von 1 bis 5 mm im eutektoiden Bereich durchgeführt und eine Extrapolation auf die Rissbreite Null vorgenommen.

3. Ausgewählte experimentelle Ergebnisse

Im Bild 2 ist die Abhängigkeit der Permeabilität von der Feldstärke für die untersuchten unlegierten Stähle (Tabelle 1) im normalgeglühten Zustand dargestellt.


Bild 2: Feldstärkeabhängiger Permeabilitätsverlauf für unlegierte Stähle (Gefüge: Ferrit+Perlit).

Das Maximum der Permeabilität verlagert sich mit zunehmender Feldstärke zu niedrigen Werten und bleibt bei H " 1 kA/m stecken. Für C £ 0,42 % ist eine eindeutige Zuordnung zum C-Gehalt erkennbar. Die für C > 0,42 % auftretenden Überlagerungen werden durch die Abweichungen der Mikrolegierungselemente Cr und Ni begründet.

Nach dem Abschreckhärten verändert sich der Permeabilitätsverlauf grundlegend, was im Bild 3 zum Ausdruck kommt.


Bild 3: Feldstärkeabhängiger Permeabilitätsverlauf für unlegierte Stähle (Gefüge: Martensit+[Restaustenit]).

Das Permeabilitätsmaximum fällt durchweg auf 16-18% der Werte im normalgeglühten Ausgangszustand und verschiebt sich abhängig vom C-Gehalt deutlich in höhere Feldstärkebereiche bis H " 6kA/m.

Der Einfluss auf die Permeabilitätskurve ist für C £ 0,35% ausgeprägt geringer als bei höheren C-Gehalten, was sicher auch mit der bei C > 0,52% zu erwartenden Zunahme der Restaustenitanteile zusammenhängt. Ein Vergleich der Bilder 2 und 3 zeigt, dass der Martensitbildungsprozeß besonders bei geringen C-Gehalten deutlich detektiert werden kann. Der Verlauf der maximalen Permeabilität bei verschiedenen C-Gehalten ist im Bild 4 dargestellt.


Bild 4: Wirkung des C-Gehaltes und des Gefügezustandes auf
a) die Maximalpermeabilität mrmax und
b) die Lage des Maximums H(mrmax).

Für den normalgeglühten ferritisch-perlitischen Gefügezustand im Bereich C £ 0,5 % konnte eine stetige Abnahme der Maximalpermeabilität (Bild 4a) beobachtet werden, die sich dann bei C > 0,5 % kaum noch änderte. Eine Ursache könnte in den verschiedenen Mikrolegierungen bezüglich Mn, Cr, Cu und Ni liegen (siehe Tabelle 1). Der deutliche Abfall der Maximalpermeabilität durch die Martensitbildung beim Abschrecken aus der g-MK-Phase kann zur Prozesskontrolle genutzt werden. Die wachsenden Restaustenitanteile ab C > 0,52 % bewirken erwartungsgemäß einen weiteren Permeabilitätsabfall. Die Lage des absoluten Permeabilitätsmaximums verändert sich im normalgeglühten Gefügezustand ab C > 0,35 % praktisch nicht mehr (Bild 4b).

Für den gehärteten Zustand steigt H(mrmax) ab C > 0,35 % stark an. Auch hierbei kann der Martensitbildungsprozeß deutlich selektiert werden. Da die Abkühlungsfinishtemperatur bei der Raumtemperatur lag, musste ab C > 0,52 % mit deutlichen Restaustenitanteilen gerechnet werden, was die Lage des Permeabilitätsmaximums aber kaum beeinflusste.

Auch durch Auswertung der Koerzitivfeldstärke HCB konnte die Martensitbildung eindeutig vom ferritisch-perlitischen Gefüge unterschieden werden, was im Bild 5a dargestellt ist.

Es konnte ein kontinuierlicher Anstieg von HCB mit zunehmenden C-Gehalt nach dem Abschreckhärten beobachtet werden. Interessant war, dass die Unterschiede in der Remanenz Br zwischen dem normalgeglühten Zustand und dem gehärteten Zustand erst bei C > 0,52 % deutlich wurden, was auf die zunehmende Restaustenitbildung zurückzuführen ist (Bild 5b).


Bild 5: Wirkung des C-Gehaltes und des Gefügezustandes auf
a) die Koerzitivfeldstärke HCB und
b) die Remanenz Br.

Als Bezugsgröße zu den mechanischen Eigenschaften wurde die Härte HV5 gemessen, deren Abhängigkeit vom C-Gehalt im Bild 6 aufgezeichnet worden ist.


Bild 6: Härteverlauf im untereutektoiden Bereich in Abhängigkeit vom C-Gehalt für den normalgeglühten und den gehärteten Zustand.

Der Härteverlauf entspricht den theoretischen Erwartungen, wobei bei C ³ 0,52 % die wachsenden Restaustenitanteile ein weiteres Anwachsen der Härte verhindern.

Es erhebt sich die Frage, welche magnetischen Kennwerte den Härteverlauf am besten widerspiegeln?

Aus der Neukurve bietet sich die Maximalpermeabilität mrmax und die Feldstärke H(mrmax) an. Die Ergebnisse sind im Bild 7 dargestellt.


Bild 7: Zuordnung zur Härte HV5 für
a) die Maximalpermeabilität mrmax
b) die Lage des Maximums H(mrmax) in Abhängigkeit vom Gefügezustand (Ferrit + Perlit, Martensit + Restaustenit).

Für den normalgeglühten Zustand wird die mit zunehmenden C-Gehalt ansteigende Härte sehr empfindlich durch einen steilen Permeabilitätsabfall charakterisiert (Bild 7a).

Beim gehärteten Zustand konnte praktisch keine verwertbare Zuordnung der Permeabilität zur Härte gefunden werden, wobei sich interessanterweise die Werte an den Verlauf beim normalgeglühten Gefüge anpassen. Aus der Lage des Permeabilitätsmaximums H(mrmax) ist dagegen unabhängig vom Gefügezustand eine kontinuierliche Korrelation zur Härte erkennbar (siehe Bild 7b).

Ein analoges Verhalten zeigt die Auswertung der Koerzitivfeldstärke HCB, was im Bild 8a aufgezeichnet wurde.


Bild 8: Zuordnung zur Härte HV5 für
a) die Koerzitivfeldstärke HCB und
b) die Remanenz Br in Abhängigkeit vom Gefügezustand (Ferrit + Perlit, Martensit + Restaustenit).

Danach ist die Koerzitivfeldstärke HCB unabhängig vom Gefügezustand zur Charakterisierung der Härte geeignet, wobei ein Streuband akzeptiert werden muß. Die Remanenz hat dagegen nur beim normalgeglühten Zustand eine ausreichende Zuordnung zur Härte, was im Bild 8b zum Ausdruck kommt.

Beim eutektoiden Stahl wurde zusätzlich der Einfluss von Modellrissen senkrecht zur Magnetfeldrichtung untersucht. Das Ergebnis ist im Bild 9 dargestellt.

Die Neukurve regierte empfindlich auf das Vorhandensein von Rissbreiten £ 1mm, was sich in einem Steilabfall der Permeabilität äußerte.


Bild 9: Einfluss eines Querrisses beim eutektoiden Stahl auf den Verlauf von
a) mr-H-Funktion
b) Maximalpermeabilität.

Auch die Koerzitivfeldstärke HCB und die Remanenz Br reagierten auf einen Querriss, was im Bild 10 gezeigt wird.


Bild 10: Einfluss eines Querrisses beim eutektoiden Stahl auf den Verlauf von
a) der Koerzitivfeldstärke HCB
b) der Remanenz Br.

Dabei veränderte sich die Remanenz besonders stark bei Rissbreiten < 1mm.

Abschließend wurden die magnetischen Kennwerte von ausgewählten legierten Stählen im normalen Lieferzustand (normalgeglüht oder vergütet) vergleichsweise ermittelt (siehe Tabelle 2).

Die gemessenen Permeabilitätsverläufe sind im Bild 11 aufgezeichnet.


Bild 11: Feldstärkeabhängiger Permeabilitätsverlauf für verschiedene legierte Stähle im Vergleich mit unlegierten Stählen.

Die Kesselstähle 17Mn4 und 19Mn5 ließen sich noch reproduzierbar untereinander und vom unlegierten Stahl C20 trennen. Der Permeabilitätsverlauf des Automatenstahles 9SMn28 hob sich sehr deutlich von den anderen Mn-Stählen ab. Der martensitische nichtrostende Stahl X40Cr13 und der niedriglegierte Einsatzstahl 23NiCrMo2 ließen sich untereinander separieren. Der Vergleich mit den unlegierten Stählen mit gleichem C-Gehalt zeigt, dass der Einfluss der Legierungselemente Ni und Cr für den Permeabilitätsverlauf bestimmend wird.

4. Schlussbemerkungen

Die Kennwerte der statischen Magnetisierungskurve charakterisieren bei weichmagnetischen Stählen nicht nur die Legierungszusammensetzung, sondern in starkem Maße den Gefüge- und Behandlungszustand. Besonders deutlich wirken sich Martensitbildungsvorgänge auf die magnetischen Meßwerte aus. Die Gefügeänderungen überdecken bei unlegierten Stählen weitgehend den Legierungseinfluss. Die Hysteresekurve mit ihrer Kennwertmatrix sowie die aus der Neukurve gewonnene Funktion mr=f(H) sind echte "magnetic materials signature" - Funktionen zur Sortenanalyse und Eigenschaftscharakterisierung.

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