Die Ferromagnetischen Legierungen und Ihre Gewerbliche Verwendung

428 Pages·1932·18.219 MB·German

by  Dipl.-Ing. W. S. Wesskin (auth.)

DIE
FERROMAGNETISCHEN
LEGIERUNGEN
UND lHRE GE"VERBLlCHE VERWENDUNG
von
Dipl.-lng. W. S. ll'Iesskin
Leiter dtr AbtciJung fUr magnctische Legierungen am Institut fUr Metallforschung
in Leningrad. Dozcnt am Institut fUr Maschinenbau in Leningrad
U mgearbeitet und erweitert von
Dr. phil. A. Ku8mann
Regierungsrat im Magnetischen Laboratorium der
Physikalisc!:.Technischen Reichsansta\t
in Berlin.Char\ottenburg
Mit 292 Textabbildungen
Berlin
Verlag von Julius Springer
1932
ISBN-13: 978-3-642-89358-2 e-ISBN-13: 978-3-642-91214-6
DOl: 10.1007/978-3-642-91214-6
AIle Rechte, insbesondere das der trbersetzung
in fremde Sprachen, vorbehaJten.
Copyright 1932 by Julius Springer in Berlin.
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1932
VOl'WOl't.
Der Ferromagnetism us der MetaIle und Legierungen und seine prak
tische Ausnutzung in Dynamomaschin,en und Transformatoren, in MeB
instrumenten und Apparaten bildet eine der Grundlagen der Elektro
technik. Man sollte daher annehmen, daB bei diesen so hiiufig gebrauchten
Stoffen die Beziehungen zwischen ihrem magnetischen Vcrhalten und
ihrer Konstitution auf das griindlichste erforscht seien. Dem ist abel'
keineswegs so, sondern trotz einer groBen Menge von Einzeluntersuchun
gen ist unser wirklicher Vberblick iiber dieses Gebiet der Metallkunde
erst klein und das Fehlen einer Systematik in seiner Bearbeitung hat sich
liingst erschwerend bemerkbar gemacht.
Fiir diese Eigentiimlichkeit ist nicht zuletzt die wissenschaftliche
Lage des Forschungsgebietes als eines ausgesprochenen Grenzgebietes
zwischen den verschiedensten Disziplinen, wie Hiittenkunde, Physik,
Chemie und Elektrotechnik, verantwortlich zu machen. Sie hat es be
wirkt, daB manche der magnetischen Legierungen zwar griindlich er
forscht sind yom rein magnetischen Standpunkt, sehr w~nig dann aber in
ihren metaIlographischen Beziehungen und umgekehrt. Nun ist aberder
Ferromagnetismus so vielfiiltig und so enorm abhiingig von dem Aufbau
der Legierungen, daB diese Zusammenhanglosigkeit der Untersuchungen
notwendigerweise nicht ohne Riickwirkung auf die Entwicklung des
Wissensgebietes bleiben konnte. AIle diese Umstiinde spiegeln sich auch
im Schrifttum wieder. An ausgezeichneten Lehr- und Handbiichern ein
mal iiber die Erscheinungen des Ferromagnetismus und ein andermal etwa
iiber das Eisenhiittenwesen ist kein Mangel, doch gibt es Imine zusammen
fassende Darstellung des Gebietes der ferromagnetischen Werkstoffe, und
derjenige, der beruflich mit ihnen zu tun hat, ist immer wieder auf die
wegen ihrer Zerstreutheit oft schwer zu erfassenden Originalarbeiten
der verschiedenell Disziplinen angewiesen.
Das vorliegende Buch hat sich nun die Aufgabe gestellt, die Eigen
schaften der ferromagnetischen Stoffe, insbesondere derjenigen, die im
gewerblichen Gebrauch sind oder dafiir in Aussicht genommen sind,
in Zusammenhang mit ihrem physikalisch-chemischell Wesen, ihrem
inneren Aufbau und ihrer praktischen Verwendung zu schildern. Es
IV Vorwort.
wendet sich dabei an den Hiitteningenieur als Hersteller, den Physiker
oder Chemiker als Forscher und den Elektrotechniker als Verbraucher
und Konstrukteur und will versuchen - soweit dies eben moglich ist
bei dem gegenwartigen Stand der Erkenntnis - einen kritisch gesich
teten "Oberblick iiber die Faktoren zu geben, die auf den Ferromagne
tismus der Stoffe von EinfluB sind.
1m Gegensatz zu den schon vorhandenen Lehrbiichern des Ferro
magnetismus sollte dabei der technische Gesichtspunkt soweit wie
moglich in den Vordergrund gestellt werden, und aus diesem Grunde
haben auch die vielfachen Theorien des Ferromagnetismus in dem
vorliegenden Buche absichtlich keine Erwahnung gefunden. Ziel und
Wunsch war es jedoch, einmal durch moglichste Vereinheitlichung des
Gedankenganges sowohl demjenigen von Nutzen zu sein, der an den
allgemeinen Problemen Interesse hat und selbstandig weiterarbeiten
will, als auch durch moglichste Unterteilung des Stoffes gemaB den
verschiedenen technischen Anwendungsgebieten sowie umfangreiche
Benutzung von Tabellen und graphischen Darstellungen auch dem
unmittelbaren Betriebsmann, der iiber eine einzelne Frage Auskunft
sucht, in moglichst abgeschlossener Form erschopfend Auskunft geben
zu konnen.
Es sei gestattet, einiges iiber Ursprung und Gliederung des Buches
zu sagen.
Das Buch ist entstanden aus einem Manuskript von W. S.Messkin,
das aIle wesentlichen Gesichtspunkte bereits enthielt, dessen Darstellung
sich jedoch hauptsachlich an praktische Stahlwerker und Elektrotech
niker richtete. Auf den Rat von Prof. Dr. E. Gumlich t, dem hoch
geschatzten Altmeister der wissenschaftlich-technischen Erforschung des
Magnetismus, wurde dieses Manuskript dann von dem Zweitgenannten
umgearbeitet und durch Hinzufiigung von Abschnitten, insbesondere
physikalisch-chemischen Inhalts, erweitert. Sinn dieser Bearbeitung war
es, durch noch betontere Heraushebung der Probleme des Ferromagne
tismus als eines Ganzen das Buch zu einer moglichst zusammenfassenden
Darstellung des Gesamtgebietes der ferromagnetischen Legierungen
nnd damit gewissermaBen zu einem Lehrbuch des praktischen Ma
gnetismus zu gestalten. Eine giinstige Gelegenheit ermoglichte es Ver
fasser und Bearbeiter, in engste personliche Fiihlungnahme zu treten
und in gemeinsamen Aussprachen die wichtigsten Probleme zu dis.
kutieren. Eine besondere Kenntlichmachung der von dem Bearbeiter
zugefiigten Teilabschnitte - insgesamt von etwa 6 Bogen - ist nicht
vorgesehen.
Der gedanklichen Gliedernng nach zerfallt das Buch in drei Teile.
Die Verschiedenheit des Leserkreises, fiir den die Arbeit bestimmt
war, erforderte zunachst eine kurze Einlcitung in die Grundlagen der
Vorwort. v
aich beriihrenden Wiaaenagebiete. Die eraten einleitenden Kapitel
bringen daher die Lehre vom Magnetiamus (Kap. II), die Grund
ziige der Metallphyaik und der Legierungskunde (Kap. IV, 1), die
Kennzeichnung der technologischen Eigenschaften (Kap. VI) und die
MeB- und Behandlungsmethoden (Kap. III). Aua der personlichen Er
fahrung heraus, wie schwer gerade sehr oft dem Nichtmagnetiker das
Eindringen in den magnetischen Fragenkomplex falIt, wurde bei aller
notwendigen Strenge der Formulierung besonderer Wert darauf geIegt,
die Grundbegriffe des Magnetismus moglichst allgemeinverstandlich
darzustellen. Die absoluten MeBverfahren sind weiterhin nur kurz er
wahnt, dagegen sind die fiir die Technik wichtigen Apparate und Me
thoden sowie Formeln und Regeln, die fiir die Berechnung und Behand
lung von Nutzen sind, ausfiihrlich besprochen und in einzelnen Fallen
auch okonomische Erwagungen ausgefiihrt. Die Behandlung der Grund
lagen der Metallkunde schlieBt an das System Eisenkohlenstoff an.
Der sinngemaB zweite Teil (Kap. IV, 2-6) befaBt sich mit der Dar
stellung der GesetzmaBigkeiten zwischen chemischer Konstitution
und magnetischen Eigenschaften und bringt an Hand der Zustands
diagramme einen Gesamtiiberblick iiber die bisher untersuchten ferro
magnetischen Legierungssysteme sowie eine Reihe von Abschnitten
iiber den EinfluB der Temperatur, der Warmebehandlung und der eIa
stischen und plastischen Beanspruchung auf das magnetische Ver
halten. Der dritte und Hauptteil des Buches (Kap. VII bis IX) ist
dann der Besprechung der heute in der Technik verwendeten Legie
rungen, ihrer thermischen und mechanischen Behandlung gewidmet
und sucht also die Frage zu beantworten: Welche Stoffe stehen uns
fiir die verschiedenen Anwendungszwecke zur Verfiigung und wie muB
man sie zweckmaBig legieren und behandeln, um technisch gewiinschte
Eigenschaften zu erreichen.
Ein besonderes Kapitel "Magnetische Analyse" (Kap. V) befaBt
sich mit der Anwendung magnetischer Messungen bei metallkundlichen
Untersuchungen und zur Betriebskontrolle und Fehlerpriifung. Ein
weiterer Abschnitt (Kap. X) ist schlieBlich den Grundlagen des in den
Stahl- und Walzwerken iiblichen Arbeitsganges bei der Herstellung und
Weiterverarbeitung der magnetischen Legierungen gewidmet.
Ein Wort ist an dieser Stelle vielleicht noch zu verlieren iiber die
Bezeichnung der magnetischen GroBen. Auf internationalen BeschIuB
wurde im Jahre 1930 als Einheit der Feldstarke an Stelle des bisher
iiblichen "GauB" der Name "Oersted" eingefiihrt. Dieser Name ist im
Text des Buches auch iiberall verwendet worden, doch lieB sich dies
nicht bei den Abbildungen durchfiihren, deren Klischees zum Teil be
reits fertiggestellt, zum Teil aus anderen Originalarbeiten entnommen
waren, so daB sich also hier meistens noch die alte Bezeichnung findet.
VI Vorwort.
Zum Schlu13 fiihlt sich der Verfasser verpflichtet, auch an dieser
Stelle dem Institut fUr Metallforschung in Leningrad, das ihm wahrend
der ganzen letzten Jahre die Moglichkeit zur Durchfiihrung von Unter
suchungen gegeben hat, den tiefsten Dank auszusprechen. Auch dem
Institut fUr Maschinenbau (friiher Technologisches Institut) in Lenin
grad sei fiir die Hilfe bei den Literaturangaben bestens gedankt.
Leningrad, Mai 1932 Berlin-Charlottenburg, Mai 1932
Der Ver'fasser Del' Bearbeiter
,v.
S. lUesskill. A. KuBmann.
Inhaltsverzeichnis.
Seite
I. Einleitung .. 1
II. Magnetische Eigenschaften 2
1. Grundbegriffe . . . . . . 2
2. Magnetisierungskurven 8
3. Wichtige magnetische GroBen 12
III. Magnetische Messungen. . . 22
A. Priifung von Dauermagnetstahlen.
1. Beurteilung von Dauermagnetstahlen. . . . . 23
2. Vereinfachte ballistische Methode; Jochmessung. . 26
3. Der Kopsel-Apparat . . . . . . . . . . . . . . 29
4. Der Magnetstahlpriifer nach Hartmann und Braun 31
5. Der Remanenzmesser nach Bosch . . . . . . . 32
6. Der Apparat von Darwin und Millner . . . . . 34
7. Anwendung und Berechnung von Dauermagneten 36
8. Magnetisierung fertiger Magnete . . . . . . . . 42
9. Natiirliche und kiinstliche Alterung der Dauermagnete . 47
10. Priifapparate fiir die laufende Kontrolle der Fabrikation . 53
11. Spezielle Messungen an fertigen Magneten 56
a) Messung der Feldstarke und der Feldverteilung 57
b) Messung des Temperaturkoeffizienten . . . . . 59
B. MeBmethoden fiir weiche MateriaIien (Bleche).
12. Hysterese- und Wirbelstromverlust. . . . . . . . 61
13. Der Epstein-Apparat . . . . . . . . . . . . . . 70
14. Der Differential-Eisenpriifer nach van Lonkhuyzen 72
15. Der Wlasowsche Apparat zur Betriebskontrolle . . 74
C. Spezielle MeBmethoden.
16. Aufnahme der Nullkurve. Bestimmung von Einzelwerten 76
17. Analytische Darstellung der Magnetisierungskurve . . 80
18. Messungen bei schwachen Feldern . . . . . . . . . . . 83
IV. EinfluB der chemischen Zusammensetzung und der Zu
standsbedingungen auf die magnetischen Eigenschaften. 88
1. Grundlagen der Metall- und Legierungskunde . . . . . . . . . 88
2. Chemische Zusammensetzung, Gefiigeaufbau und magnetische
Eigenschaften . . . . . . . . . . . 104
a) Allgemeine GesetzmaBigkeiten 104
b) Eisen und Legierungen des Eisens III
c) Nickel und Legierungen des Nickels 130
d) Kobalt und Kobaltlegierungen 136
e) Legierungen aus unmagnetischen Komponenten . 141
3. Wiirmebehandlung und magnetische Eigenschaften 146
a) Gliihen . . . . . . . . . 147
b) Abschreeken und Anla;;~en . . . . . . . . . . 14!.1
VIII Inhaltsverzeichnis.
>;efte
4. Tempcratur und magnetische Eigenschaften ....... . 155
5. Elastische Formand~rungen und magnetische Eigenschaften 158
6. Plastisehe Verformung und magnetische Eigenschaften 166
V. Magnetische Analyse ............ . 175
1. Konstitutionsforschung . . . . . . . . . . . . 176
2. Priifung der chemischen Zusammensetzung und der Gefiigebe
standteile . . . . . . . 186
3. Werkstoff- und Geratepriifung. . . . . . . . . 193
a) Riickschliisse auf mechanische Eigenschaften, Priifung der
thermischen Behandlung . . 194
b) Fehleruntersuchung 202
VI. Technologische Eigensehaften 209
1. Kaltbearbeitbarkeit 209
2. Kaltbildsamkeit 213
3. Warmbildsamkeit . 215
VII. Dauermagnetstahle 218
1. Kohlenstoffstahl 218
2. W olframstahl 229
3. Chromstahl 243
4. Wolfram-Chromstahl 252
5. Molybdanstahl . . . 253
6. Kobaltstahl . . . . 261
7. Kupferstahl. Sonstige Stahle 274
8. Warmebehandlung der Magnetstahle 277
VIII. Legierungen fiir den Dynamomaschinen- und Transforma-
torenbau. . . . . . . . . . . . . . 292
1. Reines Eisen, schwachlegierte Baustahlc . . . . . . . . .. 292
2. Eisen-Silizium-Legierungen ............ . . .. 307
3. Eisen-Aluminium- und Eisen-Aluminium-Silizium-Legierungen . 331
4. Gu/leisen ....... . . . . . . . . . . . . 333
IX. Legierungen fiir besondere Verwendungszwecke . . . .. 344
1. Legierungen mit hohem Sattigungswert .......... 345
2. Legierungen mit besonderen Eigensehaften bei sehwachen magneti-
sierenden Kraften . . . . . . . . . . . . . 347
a) Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 347
b) Legierungen mit hoher Anfangspermeabilitat . . . . .. 350
1. Legierungen des Eisens mit versehiedenen Elementen 350
2. Niekel-Eisen-Legierungen. . . . . . . . . . . . .. 354
e) Legierungen mit konstanter Permeabilitat bei schwachen magne-
tisierenden Kraften .... . . . . . . 365
3. Magnetisehes Material fiir Pupinspulen . . . . . . . . .. 378
4. Legierungen mit besonderer Magnetostriktion . . . . . .. 386
5. Legierungen mit stark temperaturabhangiger Magnetisierung 388
6. Unmagnetisehe Stahle .. . . . . . . . . . . . . . .. 390
X. Erzeugung der magnetischen Legierungen . . . . . .. 396
Sehlu/lwort; Aussichten fiir die Weiterentwieklung der magne-
tischen Legierungen 403
Namenverzeiehnis 405
Saehverzeiehnis. . . . . 412
I. Einleitung.
Ferromagnetismus findet sich nach unserer heutigen Kenntnis bei
den Metallen Eisen, Kobalt und Nickel, ihren Legierungen und Ver
bindungen und schlieBlich noch in einigen Legierungssystemen der
beiden Elemente Mangan und Chromo Von der Gesamtheit aller dieser
Stoffe haben in magnetischer Beziehung nur einige wenige fur die
verschiedensten Zwecke und auf den verschiedensten Gebieten tech
nische Bedeutung erlangt und mit ihnen werden wir uns besonders zu
beschiiftigen haben. Diese gewerblich gebrauchten Legierungen werden
je nach dem Anwendungszweck gewohnlich in drei Hauptgruppen ein
geteilt, und diese Einteilung ist auch in dem vorliegenden Buch bei
behalten worden, namlich in
1. :;\:1agnetstahle, d. h. Werkstoffe, die zur Herstellung von Dauer
magneten geeignet sind.
2. Magnetisch weiche Materialien zur Verwendung im Elektro
maschinen- und Transformatorenbau.
3. Sonderlegierungcn. Hierzu rechnen etwa diejenigen mit hoher
Anfangspermeabilitat (z. B. Permalloy), mit besonderer Kurvenform
(Perminvare), Temperaturabhangigkeit, Magnetostriktion, femer Legie
rungen mit moglichst hohem Sattigungswert, und schlieBlich auch die
sogenannten unmagnetischen Stahle.
Fragen wir nach den Bedingungen fur die technische Brauchbarkeit
eines magnetischen Materials, so ist diese Eignung in magnetischer
Beziehung vor allem gegeben durch den Besitz von irgendwelchen
Extremwerten, wahrend Materialien mit zahlenmaBig nur mittleren
Eigenschaften keine oder nur geringe Verwendung finden. Als solche
gewunschten Eigenschaften kommen etwa in Betracht: moglichst hohe
Werte von Remanenz und Koerzitivkraft, d. h. eine moglichst breite
Hystereseschleife, dann moglichste Unempfindlichkeit dieser Werte
gegen.Alterung, Temperaturschwankungen und Erschiitterungen; oder
umgekehrt so klein wie mogliche Koerzitivkraft und Remanenz, d. h.
verschwindender Hystereseverlust beim Ummagnetisieren und gleich
zeitig auch hoher spezifischer elektrischer Widerstand, moglichst hohe
Permeabilitat, oder wieder moglichst konstante Permeabilitat in be
stimmten Feldstarkenbereichen usw. usw. Daneben werden an die
magnetischen Werkstoffe aber auch bestimmte technologische und
okonomische Bedingungen gestellt. Zu diesen gehort etwa die Forderung
Messkin-Kuflmann, Legierungen. 1
2 Magnetische Eigenschaften.
nach hoher Festigkeit, guter Geschmeidigkeit, guter Bearbeitbarkeit,
Unempfindlichkeit gegen "Oberschreitung der vorgeschriebenen Grenzen
der Warmebehandlung, maBigem AusschuB, leichter Herstellung, mog
lichst niedrigem Preis usw. und sehr oft sind bei der Wahl einer magne
tischen Legierung daher ganz andere Gesichtspunkte maBgebend als
rein magnetische Fragen.
1st schon einzelnen der obigen Bedingungen schwer zu geniigen, so
komplizieren sich die Verhaltnisse noch, wenn mehrere oder zum Teil
einander widersprechende Eigenschaften verlangt werden. Jede dieser
Forderungen aber kann bei einem bestimmten Werkstoff ausschlag
gebend sein, und die spateren Ausfiihrungen des Buches mogen zeigen,
welche Eigenschaften bei den verschiedenen Legierungen iiberwiegen.
Die Betrachtung der ursachlichen Zusammenhange zwischen Aufbau
und Verhalten wird uns dabei auch zu denjenigen Legierungsreihen
fiihren, fiir die keinerlei technische Verwendung, sondern nur wissen
schaftliches, theoretisches Interesse in Frage kommt, und zwar um
uns Anhaltspunkte zu geben einmal iiber den EinfluB der verschieden
sten Legierungszusatze und sodann iiber die GesetzmaBigkeiten, die
gerade hier oft in besonders einfachcr Weise hervortreten.
II. Magnetische Eigenschaften.
1. Grundbegriffe.
Die Lehre von den magnetischen Erscheinungen zeigt dadurch eine
gewisse Kompliziertheit, daB man den Zustand der Magnetisierung eines
Korpers auf zwei verschiedene Arten darstellen kann, und zwar einmal
mit Hilfe der Polaritat, ein andermal unter Benutzung der Induktion.
Dementsprechend gibt es zwei Reihen von Bezeichnungsweisen, von
denen jede fiir bestimmte Gebiete besondere begriffliche und rech
nerische V orteile bietet.
Vom Standpunkt der Polaritat aus gesehen denkt man sich den
Magnetismus eines Korpers - etwa eines natiirlichen oder kiinstlichen
Stabmagneten - an zwei Punkten in der Nahe der Enden (den Polen)
in Form von zwei gleich groBen, aber mit entgegengesetztem V orzeichen
+
versehenen Belegungen oder Mengen m und - m aufgehauft. Sind
m und m die Belegungen verschiedener Magnete, so ist die zwischen
1 2
ihnen wirkende Kraft gegeben durch
m ·m
f = ~ Dynen (Coulombsches Gesetz),
r
wobei m1 bzw. m2 die Starke der Belegungen (Poistarke) und r die
gegenseitige Entfernung bedeutet. Die Kraft wird also = 1, wenn
m1 = m2 = 1 und r ebenfalls = 1 gesetzt werden; die magnetische