Weichmagnetische Legierungen

Häufig assoziiert man magnetische Abschirmungen mit MUMETALL®, einer 80 %igen NiFe-Legierung mit sehr hoher Permeabilität. Oftmals stellt MUMETALL®, in entsprechender Dimensionierung und mit der zwingend erforderlichen magnetischen Glühbehandlung, eine sehr gute Wahl dar. Dennoch gibt es für einige Probleme bessere Lösungen.

MUMETALL®? μ-Metall? Mu-Metall? Wie heißt es denn?

MUMETALL® ist der Handelsname der VACUUMSCHMELZE GmbH & Co KG, es gibt jedoch auch Produkte anderer Hersteller mit ähnlich klingenden Namen.

Die Wirksamkeit von Abschirmmaterialien wird oft anhand der maximalen Permeabilität der verwendeten weichmagnetischen Werkstoffe beurteilt. Zusätzlich sind jedoch weitere Parameter von Bedeutung, die im Hinblick auf eine effiziente und kostengünstige Abschirmung beachtet werden sollten.

So spielt z. B. die magnetische Feldstärke eine große Rolle: Das verwendete Material darf nicht durch ein zu starkes Magnetfeld in die Sättigung getrieben werden, da es in diesem Fall über keine weitere Schirmwirkung verfügt. Auch die Frequenz des Magnetfeldes ist von Bedeutung. Je höher sie ist, desto weniger wird die Schirmwirkung durch magnetische Flussleitung (Abbildung 1) erzielt und desto wichtiger ist die elektrische Leitfähigkeit des Schirmmaterials. Andere Aspekte sind Größe, Gewicht, Korrosionsbeständigkeit, Verarbeitbarkeit und viele weitere.

Neben MUMETALL® verfügen wir über eine große Auswahl an unterschiedlichen Abschirmmaterialien, wie das amorphe VITROVAC®, PERMENORM®, SiFe-Elektroblech, Weicheisen und CRYOPERM® für Tieftemperaturanwendungen.

Wir sind vertraut mit materialspezifischen Bearbeitungsmethoden, von der Anfertigung einfacher Zuschnitte über die magnetische Schlussglühung bis hin zu ausgefeilten Kompositsystemen.

Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Kennzahlen unserer magnetischen Abschirmmaterialien zusammen. Bitte beachten Sie, dass die Eigenschaften von Größe, Dicke, Form und den Parametern der thermischen Behandlung abhängen. Die folgenden Abschnitte geben einige Hinweise auf die Verwendungsmöglichkeiten unserer weichmagnetischen Legierungen.

Legierung	Zusammensetzung	μ4 (statisch)	Hc, stat [A/m]	Bs [T]	Tc [°C]	Dichte [g/cm3]
MUMETALL®	80 % NiFe	30 000	3	0,8	400	8,7
CRYOPERM® 10	80 % NiFe	*	*	*	430	8,7
PERMENORM® 5000 H2	50 % NiFe	4000	10	1,55	440	8,25
Weicheisen	99,9 % Fe	500**	80	2,15	770	7,86
Silizium-Eisen	97 % Fe	1000**	20	2,03	745	7,65
VACOFLUX® 50	50 % CoFe	1000**	200	2,35	950	8,12
VITROVAC® 6025 X	80 % Co	20 000	1	0,55	225	7,7

MUMETALL®

Für Anwendungen, die eine mittlere magnetische Sättigungsinduktion, eine geringe Koerzitivfeldstärke und eine hohe Permeabilität erfordern, eignet sich die Nickel-Eisen-Legierung MUMETALL® besonders gut. Durch den hohen Nickelanteil ist die mechanische Bearbeitung von MUMETALL® nicht unproblematisch. Die magnetischen Eigenschaften machen das Material dennoch zu einem der gängigsten Abschirmmaterialien. Auch hat der hohe Nickelanteil zur Folge, dass in der Regel auf eine Oberflächenbehandlung zum Schutz vor Korrosion verzichtet werden kann.

Zu den häufigsten Anwendungen von MUMETALL® zählen Abschirmungen für mittlere Feldstärken, Mehrlagenabschirmungen, Aktoren und Blechpakete. Neben Fertigteilen kann MUMETALL® über die SEKELS GmbH als Tafeln, Bandmaterial, magnetisch schlussgeglühte Folien oder Rundstäbe bezogen werden.

CRYOPERM® 10

Abb. 8: μ(H)-Kennlinien von CRYOPERM® 10

Mit einer ähnlichen Zusammensetzung wie MUMETALL®, aber behandelt durch eine spezielle Anlassglühung, ist CRYOPERM® ein optimiertes Abschirmmaterial für Temperaturen im Bereich von flüssigem Stickstoff (ca. 77 K) oder flüssigem Helium (ca. 4,2 K). Die magnetischen Eigenschaften von CRYOPERM® bei niedrigen Temperaturen sind vergleichbar mit denen von MUMETALL® bei Raumtemperatur (siehe Abbildung 8). Deshalb ist CRYOPERM® das geeignete Material, um magnetische Abschirmungen für Supraleiter (insbesondere SQUID-Sensoren) zu realisieren.

Neben Systemen wird CRYOPERM® 10 auch als Band in Dicken von 0,5–2,0 mm und Breiten von ca. 270–280 mm hergestellt.

PERMENORM® 5000 H2

Im Vergleich zu MUMETALL® verfügt PERMENORM® aufgrund seines höheren Eisenanteils über eine höhere Sättigungsmagnetisierung und eignet sich deshalb vor allem für Anwendungen, bei denen stärkere Magnetfelder eine Rolle spielen. Auch bei PERMENORM® 5000 H2 kann meist auf eine Oberflächenveredelung zum Schutz vor Korrosion verzichtet werden.

Der höhere Eisenanteil hat jedoch auch Nachteile: Die dynamischen Eigenschaften (bei höheren Magnetfeldfrequenzen) sind schlechter als bei MUMETALL®, die Koerzitivfeldstärke und damit die Ummagnetisierungsverluste sind größer.