Magnetische Eigenschaften stellen wichtige Informationen für technische Anwendungen wie die Konstruktion effizienter Elektromotoren und induktiver Erwärmungsprozesse in der Stahlindustrie dar. Moderne elektromagnetische Simulationstechniken können die Entwicklungszeiten für industrielle Prozesse und Komponenten verkürzen, sind aber auf korrekte Materialdaten angewiesen, wie z.B. B-H-Hysteresen, die von Wirbelströmen unbeeinflusst sind, so dass die B-H-Hysteresen nicht verzerrt werden. Die vorliegende Arbeit fasst die Möglichkeiten eines neu entwickelten elektromagnetischen Messaufbaus zur Bestimmung dieser magnetischen Eigenschaften zusammen und untersucht die Einflussfaktoren bei solchen Messungen, d.h. Mikrostruktur, Wirbelströme und Temperatur.
Da der beschriebene Messaufbau einen neuartigen Ansatz darstellt, waren die Entwicklung sowohl des Aufbaus als auch der Messmethode die größten Herausforderungen dieser Arbeit. In der Literatur werden die Einflüsse von Wirbelströmen, Mikrostruktur und Temperatur auf die magnetischen Eigenschaften entweder unvollständig oder vereinfacht beschrieben, und die magnetischen Eigenschaften von induktionsgehärteten Produkten sind nur unzureichend erfasst. Diese Herausforderungen werden in dieser Arbeit angegangen, um die Beziehung zwischen Mikrostruktur und magnetischen Eigenschaften dieser Produkte richtig analysieren zu können.
In einer Induktionswärmebehandlungsanlage wurde ein indirekter Messaufbau auf Jochbasis realisiert, um die magnetischen Eigenschaften bei Raum- und erhöhten Temperaturen durch Induktionserwärmung messen zu können. Zusätzlich wurden Finite-Elemente-, analytische und halbempirische Modelle entwickelt und angewandt, um die Feldverteilung des Aufbaus und die probenspezifischen magnetischen Eigenschaften zu bestimmen und den Einfluss der Wirbelströme zu korrigieren. Um die Funktionalität der Modelle und der Messmethode zu demonstrieren, wurden Experimente an Ø22 x 300 mm Reineisen- und 50CrMo4-Stabproben in normalisiertem Ausgangszustand der Mikrostruktur durchgeführt.
Für die Analyse des Zusammenhangs zwischen der Mikrostruktur und den mechanischen Eigenschaften wurden Induktionswärmebehandlungen mit unterschiedlichen Austenitisierungs-temperaturen und Aufheizraten durchgeführt. Das Ziel war es, spezifische Mikrostrukturen für 50CrMo4 festzulegen, um aussagekräftige Vergleiche und Erklärungen für die Zusammenhänge zu erhalten. Darüber hinaus wurden Synchrotrondurchstrahlungstechniken eingesetzt, um Veränderungen in der Mikrostruktur hinsichtlich Eigenspannungen und Restaustenitphasengehalt in Relation zur Härteverteilung einer lokal gehärteten und angelassenen 50CrMo4-Probe zu analysieren. Diese Untersuchungen ermöglichten die Einstellung der richtigen Induktionserwärmungsparameter für die magnetischen Messungen an lokal erwärmten Proben und das Verständnis der temperaturbedingten Mikrostrukturveränderungen und deren Auswirkungen auf die magnetischen Eigenschaften.
Die Messung der temperaturabhängigen magnetischen Eigenschaften bis zur Curie-Temperatur und sogar darüber hinaus wurde erfolgreich durchgeführt und die Ergebnisse stehen im Einklang mit den Resultaten anerkannter Messmethoden. Der Hauptvorteil der neuen Methode ist die Möglichkeit indirekt zu messen, ohne dass der Sensor bei erhöhten Temperaturen thermisch beeinflusst wird. Die Anwendung der Modelle ermöglicht die Bestimmung der intrinsischen magnetischen Eigenschaften des Probenmaterials, wobei Wirbelstromeinflüsse auf ein Minimum reduziert werden. Basierend auf Korrelationen zwischen magnetischen und mechanischen Eigenschaften kann dieser Messaufbau auch zur zerstörungsfreien Bestimmung von Härte, Zugfestigkeit, Streckgrenze und Ausscheidungsgröße mit einer Standardabweichung von 3 bis 20% verwendet werden. Die erzielte Genauigkeit hängt von verschiedenen Parametern ab, wie dem verwendeten Jochtyp (Vollmaterial- oder Blechkern), der Probengeometrie (Verhältnis Durchmesser zu Länge), Anregungsstärke und Anregungsfrequenz (nicht gesättigt und unter 1 Hz) sowie der Wahl der Analysemethode (Verzerrung, Permeabilität, Hysterese).
Das Hauptergebnis dieser Arbeit ist die neue indirekte Messmethode zur Messung der magnetischen Eigenschaften und zur zerstörungsfreien Bestimmung der oben genannten mechanischen Eigenschaften und Mikrostrukturzustände, die auch das Potenzial für weitere Analysemethoden in der Zukunft unter Verwendung nur eines Aufbaus hat. Die aktuellen Forschungsergebnisse bilden die Grundlage für zukünftige fortschrittliche sensorische Anwendungen wie die Inline-Prozessüberwachung und Prozesssteuerung in der stahl-verarbeitenden Industrie und für intelligente induktive Wärmebehandlungsprozesse.