Barkhausen-Rauschanalyse (BNA)
Die Barkhausen-Rauschanalyse (BNA, englisch: Magnetic Barkhausen Noise, MBN) ist ein mikromagnetisches, zerstörungsfreies Prüfverfahren zur Analyse von Eigenspannungszuständen, Gefügeeigenschaften und Bearbeitungsschäden an ferromagnetischen Werkstoffen. Das Verfahren eignet sich besonders zum Nachweis von Schleifbrand (thermische Schädigungen durch Schleifbearbeitung) an Zahnrädern, Wälzlagern und ähnlichen Präzisionsbauteilen.
Physikalisches Prinzip
Beim Magnetisieren eines ferromagnetischen Werkstoffs bewegen sich die magnetischen Domänenwände (Bloch-Wände) nicht kontinuierlich, sondern in diskreten Sprüngen – den sogenannten Barkhausen-Sprüngen. Diese werden durch Gitterdefekte, Ausscheidungen, Korngrenzen und Eigenspannungen gehemmt und gelöst. Die dabei entstehenden kleinen Magnetfeldimpulse werden mit einer Empfängerspule als breitbandiges Rauschsignal aufgefangen. Eigenspannungen und Gefügezustand beeinflussen die Intensität, Häufigkeit und Energieverteilung der Barkhausen-Impulse charakteristisch.
Eigenspannungsanalyse
Druckeigenspannungen (günstiger Zustand nach Kugelstrahlen oder Hartdrehen) erschweren die Domänenwandbewegung und reduzieren die BNA-Signalintensität. Zugeigenspannungen (ungünstiger Zustand) fördern die Wandbewegung und erhöhen das Signal. Durch Kalibrierung mit röntgenografisch vermessenen Referenzproben kann eine quantitative Eigenspannungsabschätzung erfolgen, die jedoch aufgrund der Tiefenabhängigkeit und Materialspezifität der Methode stets kritisch bewertet werden muss.
Schleifbrandnachweis
Schleifbrand entsteht durch lokale Überhitzung beim Schleifprozess und führt zu Gefügeveränderungen (Anlassen des Martensits, Rehärtezonen, Zugeigenspannungen). Diese verändern die magnetischen Eigenschaften erheblich und erzeugen charakteristische BNA-Signalmuster. Die Barkhausen-Analyse ermöglicht eine schnelle, berührungsarme Prüfung direkt in der Fertigungslinie ohne Chemikalien (im Gegensatz zur Nitalätzung). Typische Prüfobjekte sind Zahnräder, Nockenwellen, Lagerringe und Kurbelwellen.
Systemaufbau und Geräte
- Elektromagnet zur zyklischen Magnetisierung (typisch 10–200 Hz)
- Hochfrequenz-Empfängerspule (Frequenzbereich 1 kHz – 1 MHz)
- Signalauswertung: RMS-Wert, Maximalwert (Mmax), Energieinhalt im ausgewählten Frequenzband
- Zusätzliche Messung des inkrementellen Permeabilitätsprofils möglich
Normen und Standards
Barkhausen-Rauschen ist in der AMS 2759/7 (Luft- und Raumfahrt) und verschiedenen Werknormen der Automobilindustrie geregelt. ISO 19819 beschreibt Prüfanforderungen für mikromagnetische Prüfverfahren. Die Methode ist als alleiniges Verfahren nur bei bekanntem Grundwerkstoff und kalibrierter Referenzdatenbank zuverlässig.