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.

Weicheisen

Für Anwendungen, die eine hohe Sättigungsmagnetisierung voraussetzen, aber definierte magnetische Eigenschaften benötigen, ist es nicht empfehlenswert einen konventionellen Eisenwerkstoff oder Stahl zu verwenden. Nur durch einen sorgfältigen Bearbeitungs- und Glühprozess können bei Weicheisen zuverlässige und reproduzierbare magnetische Materialeigenschaften erreicht werden. Weicheisen wird vor allem im Bereich der Magnetsysteme eingesetzt, z. B. in Polschuhen, Jochen, als Ankerkörper und in Form von Flussleitblechen.

Abschirmungen aus Weicheisen ermöglichen es auch starke Magnetfelder zu beherrschen. Die hohe Curie-Temperatur erlaubt Anwendungen, die mit MUMETALL® oder PERMENORM® 5000 H2 nicht realisierbar wären, jedoch sind die Koerzitivfeldstärke und die dynamischen Verluste deutlich höher als bei letzteren.

Weicheisen kann bei der SEKELS GmbH als Fertigteile und in Form von Tafeln und Rundstäben bezogen werden. Gerne bieten wir auch geeignete Oberflächenbeschichtungen als Korrosionsschutz an.

VACOFLUX® 50

Die Kobalt-Eisen-Legierung VACOFLUX® 50 ist die geeignete Legierung, wenn auch unter dem Einfluss sehr starker Magnetfelder Sättigungseffekte vermieden werden müssen. VACOFLUX® 50 verfügt über die höchste Sättigungsmagnetisierung und die höchste Curie-Temperatur aller weichmagnetische Materialien.

Die Hauptanwendungsgebiete von VACOFLUX® 50 liegen in den Bereichen magnetischer Polschuhe, Linsensysteme, Relais, Motoren und Generatoren.

VACOFLUX® 50 kann neben Fertigteilen in den Lieferformen Band und Rundstab bezogen werden.

VITROVAC® 6025 X

Abb. 9: Rascherstarrungsverfahren zur Herstellung dünner amorpher metallischer Folien

Die amorphe Legierung VITROVAC® 6025 X der VACUUMSCHMELZE GmbH & Co. KG ist herstellbedingt (siehe Rascherstarrungsverfahren Abb. 9) nur als dünne Folie mit Dicken im Bereich von ca. 20–25 μm erhältlich. Sie verbindet exzellente weichmagnetische Eigenschaften mit einer ungewöhnlichen mechanischen Härte und Flexibilität.

Somit können auch sehr enge Biegeradien mit einer nur sehr geringen Beeinträchtigung der Permeabilität in diesem Bereich realisiert werden. Die geringe Banddicke und die vergleichsweise sehr niedrige elektrischen Leitfähigkeit ermöglichen die wirksame Abschirmung auch höherfrequenter Felder.

Die Website Sekels Magnetic Shielding wird durch die Sekels GmbH betreut. Sekels GmbH – Ihr Spezialist für magnetische Felder, magnetische Werkstoffe, Magnetsysteme und magnetische Abschirmungen – von der Beratung bis zur Lieferung von fertigen Bauteilen und Systemen