Waardoor is staal magnetisch?
Inhoud
show
Staal is magnetisch door de aanwezigheid van ijzer, dat zelf ook magnetisch is. IJzer heeft ongepaarde elektronen waarvan de spins zich in de richting van het magnetisch veld richten. Zo ontstaat magnetisme, dat ook bijdraagt aan het magnetisme van staal. Ook de kristalstructuur van staal, vooral in de ferritische vorm, ondersteunt de uitlijning van de magnetische domeinen. Daardoor reageert het op magnetisme en kan het magnetisch worden uitgelijnd. De mate van magnetisme in staal is echter niet constant, maar hangt af van de samenstelling en de warmtebehandeling. Roestvast staal met bijvoorbeeld een hoog chroom- en nikkelgehalte is niet-magnetisch doordat het een austenitische structuur heeft.
Ferromagnetisme en staal
De chemische samenstelling en microstructuur van staal hebben een grote invloed op het magnetisme. Magnetische staalsoorten hebben vaak een ferritische of martensitische structuur, met ijzer waarvan de atomaire spins ordelijk zijn uitgelijnd. Austenitisch roestvast staal is daarentegen niet-magnetisch door het hoge chroom- en nikkelgehalte. Ook processen zoals warmtebehandeling en koudvervorming veranderen de magnetische eigenschappen van staal. Ze wijzigen de interne rangschikking van de bestanddelen, waaronder de atomaire structuur, vooral in de ferrietfase.De rol van legeringselementen
Legeringselementen hebben een grote invloed op de mechanische eigenschappen van staal, vooral op uiteenlopende materiaalkenmerken. Door koolstof, mangaan, chroom en nikkel toe te voegen, kunnen specifieke eigenschappen worden versterkt. Zoals bij de meeste metalen nemen de hardheid en sterkte van staal toe wanneer er koolstof wordt toegevoegd. Mangaan maakt staal harder en slijtvaster. Chroom is belangrijk voor een betere corrosiebestendigheid en de vorming van de beschermende oxidelaag in roestvast staal. Nikkel verhoogt de sterkte en taaiheid en verbetert de corrosiebestendigheid, vooral bij lagere temperaturen. Door legeringselementen zorgvuldig te selecteren en te combineren, kan staal worden afgestemd op uiteenlopende prestatie-eisen.De invloed van magnetische velden op staal
Magnetische velden beïnvloeden staal doordat ze de interne structuur en de magnetische eigenschappen ervan veranderen. Staal is een magnetisch metaal en kan gemagnetiseerd raken wanneer het zich in een magnetisch veld bevindt. Dat komt doordat het veld de domeinstructuren, of magnetisatiedomeinen, in het staal kan uitlijnen. Hoe gevoelig staal hiervoor is, hangt af van de structuur en de sterkte van het aangelegde magnetische veld. Voortdurende magnetisatie of sterke velden, vooral gedurende langere tijd, kunnen de werking bovendien veranderen. Een voorbeeld is blijvend restmagnetisme: de magnetisatie die behouden blijft nadat het magnetiserende veld is weggenomen. Deze factoren zijn van belang bij dynamische toepassingen waarbij het materiaal aan magnetische velden wordt blootgesteld.Zijn alle soorten roestvast staal magnetisch?
Austenitisch roestvast staal en magnetisme
Austenitische roestvaste staalsoorten, zoals de staalkwaliteiten 304 en 316, zijn niet-magnetisch door hun vlakgecentreerde kubische kristalstructuur (FCC), die de magnetische domeinen niet laat uitlijnen. Toch kunnen bepaalde omstandigheden de magnetische eigenschappen van austenitisch roestvast staal veranderen. Door koudvervorming kan een deel van de austenitische structuur bijvoorbeeld veranderen in martensiet, een vorm die staal kan harden en magnetisch kan maken. Dit heet spanningsgeïnduceerde martensietvorming. In zulke omstandigheden kan roestvast staal 304 na zware koudvervorming of lassen zwak magnetisch worden. De toegenomen magnetische werking komt dan voort uit structurele veranderingen door mechanische of thermische spanning. Onderzoek wijst uit dat de magnetische werking van koudvervormd roestvast staal beperkt is wanneer die wordt beoordeeld aan de hand van de permeabiliteitswaarden. Ter vergelijking: austenitisch roestvast staal heeft in gegloeide toestand een relatieve magnetische permeabiliteit van bijna 1.0. Na bewerking, wanneer martensiet is gevormd, zal die waarde naar verwachting licht toenemen. Nikkel en chroom zijn essentieel voor austenitisch roestvast staal, omdat ze de FCC-structuur stabiliseren en de magnetische respons verminderen. Ingenieurs en materiaalwetenschappers houden hiermee rekening wanneer ze materialen kiezen voor toepassingen met strenge eisen aan niet-magnetische eigenschappen.Magnetisch gedrag van ferritisch en martensitisch roestvast staal
De magnetische eigenschappen van ferritisch en martensitisch roestvast staal zijn veel uitgesprokener dan die van austenitische staalkwaliteiten. Het belangrijkste verschil tussen deze soorten roestvast staal zit in hun kristalstructuur. Ferritisch roestvast staal heeft een ruimtelijk gecentreerde kubische kristalstructuur (BCC) en is van nature ferrimagnetisch. Daardoor kan de legering gemakkelijk worden gemagnetiseerd. In tegenstelling tot wat vaak wordt gedacht, is martensitisch roestvast staal ook magnetisch. Dat komt door de BCC- of ruimtelijk gecentreerde tetragonale structuur (BCT) die tijdens de warmtebehandeling ontstaat. Dankzij hun reactie op een magnetisch veld zijn deze staalsoorten geschikt voor toepassingen waarbij magnetische eigenschappen vereist zijn. Bij constructies met zwakke magnetische velden moet men echter rekening houden met de geringe magnetische verstoring. Ongeacht de staalkwaliteit hangen deze eigenschappen af van de legeringselementen in de samenstelling en de toegepaste warmtebehandeling.Waarom sommige soorten roestvast staal niet magnetisch zijn
Dat sommige soorten roestvast staal niet-magnetisch zijn, komt vooral door hun kristalstructuur. Austenitisch roestvast staal, zoals de staalkwaliteiten 304 en 316, bestaat voornamelijk uit een vlakgecentreerde kubische structuur (FCC), die ferromagnetisme uitsluit. Magnetisme blijft uit doordat ongepaarde elektronen in het FCC-rooster ontbreken. Die veroorzaken het magnetische gedrag bij andere materialen. De chemische samenstelling van roestvast staal heeft een grote invloed op de magnetische respons. Zo stabiliseren grote hoeveelheden nikkel en chroom de FCC-structuur in austenitisch roestvast staal, waardoor ferromagnetische fasen zich niet kunnen ontwikkelen. Deze elementen werken het magnetisme tegen in ferritisch of martensitisch roestvast staal met een ruimtelijk gecentreerde kubische structuur (BCC) of een ruimtelijk gecentreerde tetragonale structuur (BCT). Externe factoren kunnen echter magnetische eigenschappen zichtbaar maken in austenitisch roestvast staal. Langdurige, zware koudvervorming of grote vervorming tijdens de productie kan de FCC-structuur veranderen in een magnetische fase: martensiet. Deze verandering, bekend als spanningsgeïnduceerd martensiet, komt vaker voor bij legeringen met een lager gehalte aan legeringselementen, zoals roestvast staal 301. Bij staalkwaliteit 316 is dit effect minder uitgesproken door de stabiliserende invloed van molybdeen. Ook de samenstelling en bewerking van de legering kunnen de gevoeligheid van roestvast staal voor magnetisme veranderen. Onderzoek toont aan dat roestvast staal 304 een initiële magnetische susceptibiliteit tussen 1.05 en 1.15 heeft. Roestvast staal 316, met een hoger molybdeengehalte, heeft veel lagere waarden, vaak rond 1.01. Deze verschillen zijn belangrijk wanneer u een bepaalde staalkwaliteit kiest voor toepassingen waarbij magnetische eigenschappen een doorslaggevende rol spelen. Kortom, dat sommige soorten roestvast staal niet magnetisch zijn, is toe te schrijven aan hun atoomstructuur en de legeringselementen waaruit het staal bestaat. Ook externe factoren, zoals mechanische verhitting, kunnen het magnetisme beïnvloeden. Dat maakt een zorgvuldig technisch ontwerp belangrijk.Hoe reageren magneten op staal?
De invloed van staalkwaliteiten op magnetisme
De samenstelling en microstructuur van staal bepalen de magnetische eigenschappen. Magnetische staalsoorten zijn onder meer koolstofstaal, dankzij het hogere ijzergehalte, de ferritische structuur en de sterke magnetische eigenschappen. Austenitisch roestvast staal, zoals de 300-reeks, is doorgaans niet-magnetisch doordat de kristalstructuur de uitlijning van magnetische domeinen belemmert. Door koudvervorming of mechanische vervorming kan dit materiaal gedeeltelijk magnetisch worden. Inzicht in deze kenmerken is belangrijk bij de keuze van de juiste staalkwaliteit voor toepassingen met magneten.Externe magnetische velden en staal
De wisselwerking tussen externe magnetische velden en staal hangt sterk af van de samenstelling en interne structuur. Ferritisch en martensitisch staal hebben een hoger ijzergehalte. Daardoor worden ze sterk aangetrokken door magnetische velden, doordat de magnetische domeinen zich uitlijnen. Austenitisch roestvast staal, zoals de 300-reeks, is daarentegen grotendeels niet-magnetisch en reageert niet sterk op magnetische velden. Mechanische vervorming of koudvervorming kan lokaal echter magnetisme veroorzaken in austenitisch staal. Voor toepassingen waarbij staal aan magnetische velden wordt blootgesteld, is volledig austenitisch roestvast staal geschikter omdat het een lagere magnetische permeabiliteit heeft. Dit type staal veroorzaakt minder magnetisch opgewekte verstoring.Magnetische permeabiliteit van verschillende staalsoorten
De magnetische permeabiliteit verschilt per staalsoort en hangt af van de samenstelling en microstructuur. Ferritisch en martensitisch roestvast staal hebben doorgaans een hogere magnetische permeabiliteit en zijn daardoor gevoeliger voor magnetische velden. Volledig austenitisch roestvast staal, zoals staalkwaliteit 316L, heeft daarentegen een zeer lage magnetische permeabiliteit. Daardoor is het geschikt voor afschermingstoepassingen waarbij magnetische verstoring tot een minimum moet worden beperkt. Voor maximale efficiëntie in omgevingen die gevoelig zijn voor magnetisme, kiest men bij voorkeur austenitische staalkwaliteiten die na bewerking volledig niet-magnetisch blijven.Kan staal niet-magnetisch worden?
Staal demagnetiseren
Staal demagnetiseren betekent dat de bestaande magnetische uitlijning wordt verstoord. Dat kan op drie manieren. Ten eerste kan verhitting boven de Curietemperatuur van het staal alle magnetische eigenschappen wegnemen, doordat de interne structuur van het materiaal wordt heringericht. Ten tweede kan een wisselend magnetisch veld het restmagnetisme geleidelijk verminderen door de domeinen opnieuw uit te lijnen. De laatste methode is het staal fysiek hameren of buigen. Daardoor verandert de uitlijning van de magnetische domeinen, maar deze techniek is niet erg nauwkeurig. Hoewel deze methoden werken, moeten ze worden afgestemd op de toepassing en rekening houden met de materialen en hun mechanische eigenschappen.Factoren die leiden tot verlies van magnetisme in staal
Dit zijn de belangrijkste oorzaken van mogelijk verlies van magnetisme in staal:- Blootstelling aan warmte: hoge temperaturen kunnen de interne structuur van de magnetische domeinen in staal verstoren, waardoor het magnetisme gedeeltelijk of volledig verdwijnt. Dit komt vaak voor wanneer het materiaal boven de Curietemperatuur wordt verhit.
- Fysieke impact: stoten, zoals wanneer het materiaal valt of wordt gebogen, verhogen de mechanische spanning en verplaatsen de interne magnetische domeinen. Daardoor kan het magnetisme afnemen.
- Langdurige blootstelling aan wisselende magnetische velden: wanneer staal gedurende lange tijd herhaaldelijk aan wisselende magnetische velden wordt blootgesteld, kunnen de domeinen hun oriëntatie verliezen en kan het materiaal zijn magnetisme verliezen.
- Corrosie: veranderende omgevingsomstandigheden, zoals oxidatie, veroorzaken corrosie van de materiaalstructuur en verminderen het vermogen ervan om magnetisch te worden.
Toepassingen van magnetisch en niet-magnetisch roestvast staal
Sectoren waarin magnetisch roestvast staal wordt gebruikt
Magnetisch roestvast staal wordt veel gebruikt in sectoren die baat hebben bij de corrosiebestendigheid en het magnetisme ervan. De belangrijkste sectoren zijn:- Automobielindustrie: wordt gebruikt in onderdelen zoals sensoren, brandstofinjectoren en uitlaatsystemen, dankzij de sterkte en magnetische eigenschappen van het materiaal.
- Elektronica: belangrijk voor transformatoren, solenoïden en magnetische opslagmedia.
- Huishoudtoestellen: onder meer in trommels van wasmachines met magnetische werking, koelapparaten en keukengerei waarvoor sterkte en magnetisme nuttig zijn.
- Bouw: wordt gebruikt in architecturale toepassingen en bevestigingsmiddelen waarvoor sterkte en magnetisme van belang zijn.
Voordelen van niet-magnetische metalen in de technologie
Niet-magnetische metalen zijn wettelijk toegestaan, maar voor gebruik in de technologie zijn stabiele magnetische velden nodig. Dankzij hun niet-magnetische eigenschappen zijn deze metalen geschikt voor precisie-elektronica, MRI-toestellen en moderne halfgeleiderelementen in andere gevoelige elektronische apparaten. Ook in de lucht- en ruimtevaart en militaire technologie worden deze metalen vaak gebruikt. Niet-magnetische materialen worden er voortdurend blootgesteld aan kritieke prestatieomstandigheden zonder dat dit tot betrouwbaarheidsproblemen leidt. Ze zijn ook geschikt voor omgevingen waar deze metalen slijtvast en corrosiebestendig zijn. Zo dragen niet-magnetische metalen in belangrijke mate bij aan de technologische ontwikkeling van vandaag.Veelgestelde vragen (FAQ’s)
V: Is staal magnetisch?
A: Staal is magnetisch, maar de mate van magnetisme hangt af van de staalkwaliteit. Bepaalde soorten staal, zoals ferromagnetisch staal, zijn sterk magnetisch door het ijzer en hun kristalstructuur.V: Waarom zijn sommige soorten staal, zoals 304 en 316, niet magnetisch?
A: Roestvast staal 304 en 316 zijn niet magnetisch door hun hoge gehalte aan chroom en nikkel. Deze twee elementen bevorderen een austenitische kristalstructuur, waarin magnetische momenten zich niet gemakkelijk uitlijnen. Daardoor blijven deze staalsoorten niet-magnetisch of hooguit zwak magnetisch.V: Kan roestvast staal 304 magnetisch worden?
A: Roestvast staal 304 kan magnetisch worden door processen zoals koudvervorming. Zulke processen veranderen de structuur en het kristalrooster van materialen, waardoor ze magnetisch kunnen worden.V: Wat is een ferromagnetisch metaal?
A: Ferromagnetische metalen zijn materialen die sterk kunnen worden gemagnetiseerd en als permanente magneten kunnen dienen. Deze metalen hebben ongepaarde elektronen waarvan de spins parallel zijn uitgelijnd. Zo ontstaat een sterk magnetisch veld.V: Welke invloed hebben nikkel en chroom op het magnetisme van staal?
A: Nikkel en chroom beïnvloeden de kristalstructuur van staal. Nikkel stabiliseert de austenitische structuur, die doorgaans niet-magnetisch is. Chroom verhoogt de corrosiebestendigheid, maar draagt niet bij aan het magnetisme van staal.V: Welke rol spelen ongepaarde elektronen bij magnetisatie?
A: De aanwezigheid van ongepaarde elektronen is belangrijk voor magnetisatie. Hun spins kunnen zich in een domein uitlijnen en het materiaal magnetisch maken. Dit gebeurt bij metalen zoals ijzer, waarvan de elektronen zich kunnen uitlijnen en het materiaal ferromagnetisch kunnen maken.V: Bevat staal ijzer?
A: Staal bevat altijd ijzer, omdat ijzer het belangrijkste materiaalbestanddeel is. De sterkte en het magnetisme van staal worden mede daardoor bepaald. Dankzij het ijzer kan staal onder bepaalde omstandigheden worden gemagnetiseerd.V: Wat is niet-magnetisch staal?
A: Het belangrijkste verschil zit in de rangschikking van bepaalde legeringselementen in de kristalstructuur. Magnetisch staal, soms ferromagnetisch staal genoemd, bestaat uit legeringen met een structuur die de uitlijning van magnetische momenten mogelijk maakt. Niet-magnetische austenitische soorten roestvast staal laten door hun rooster geen stapeling toe.V: Welke invloed heeft koudvervorming op het magnetisme van staal?
A: Koudvervorming kan de magnetische eigenschappen van staal versterken doordat de kristalstructuur van austenitisch kan veranderen in martensitisch of ferritisch. Die toename komt doordat de magnetische momenten in het staal dan een lagere energietoestand hebben, die stabieler is en een betere uitlijning mogelijk maakt.V: Welke andere metalen, zoals aluminium, zijn niet-magnetisch?
A: Sommige metalen, zoals aluminium, koper en zink, zijn niet-magnetisch omdat ze geen ongepaarde elektronen hebben die een magnetisch veld kunnen opwekken. Daarom worden deze metalen als niet-magnetische stoffen beschouwd.Bronnen
1. Vectoriële magnetische eigenschappen van elektrisch staalplaatmateriaal in relatie tot spanning en temperatuur (Zhang et al., 2022, pp. 980-990)- Belangrijkste bevindingen:
- De voorgestelde meetmethode is gevalideerd door de vectoriële magnetische eigenschappen te beoordelen van niet-georiënteerde en korrelgeoriënteerde platen van elektrisch staal (ESS) bij verschillende temperaturen en toegepaste spanningsniveaus.
- Het model stelt een meetmethode voor waarin de wisselwerking tussen temperatuur en spanning wordt meegenomen.
- Methodologie:
- In het meetgebied van het proefstuk is de horizontale basis van het verticale orthogonale juk met dubbele U-vorm uitgerust met twee rechthoekige magneten die in tegengestelde richting openen. Zo ontstaat een gelijkmatige verdeling van het magnetische veld.
- De vectoriële magnetische fluxdichtheid B en de magnetische veldsterkte H worden gemeten met een B-sonde en een dubbele H-spoel met samengestelde wikkeling.
- Met een lineaire actuator wordt trek- of drukspanning uitgeoefend langs de walsrichting en dwarsrichting van het proefstuk.
- De temperatuurregelaar maakt, in combinatie met keramische verwarmingsmatten, metingen bij uiteenlopende temperaturen mogelijk.
- Belangrijkste bevindingen:
- Bij korrelgeoriënteerd siliciumstaal zijn de magnetische eigenschappen het best in de geselecteerde zone binnen een magnetisatieafwijking van 30 30 graden, vergeleken met niet-korrelgeoriënteerd siliciumstaal.
- Korrelgeoriënteerd siliciumstaal verliest zijn magnetische eigenschappen wanneer de niet-uniforme externe temperatuur stijgt. Niet-uniform korrelgeoriënteerd siliciumstaal gedraagt zich anders.
- Korrelgeoriënteerd siliciumstaal heeft relatief optimale magnetische eigenschappen bij een spanning van 30 MPa.
- Het gebruik van korrelgeoriënteerd siliciumstaal in de interne onderdelen van elektrische voertuigen (IPM) verhoogt de magnetische fluxdichtheid van de statortanden met 2,2%, het motorkoppel met 2,18% en het piekrendement met 1%, en verhoogt het gravimetrische vermogen in rust.
- Methodologie:
- De magnetische eigenschappen van korrelgeoriënteerd siliciumstaal werden onder uiteenlopende omstandigheden onderzocht met een Epstein-frame en zelfgebouwde multifysische veldapparatuur.
- Het model vormde de basis voor onderzoek naar het gebruik van korrelgeoriënteerd siliciumstaal in IPM voor elektrische voertuigen, met behulp van een motormodel van precisiegericht siliciumstaal.
- Belangrijkste bevindingen:
- De magnetische eigenschappen van UNS S32101-staal verbeteren door meertraps dwarswalsen, dankzij de verfijning van de microstructuur en textuur.
- De magnetische eigenschappen zijn minder gunstig door de kenmerken van de gebruikte snijmethoden en het materiaal.
- Draadsnijden heeft weinig invloed op de magnetische prestaties, maar lasersnijden verlaagt de relatieve magnetische permeabiliteit dieper in de staalstrips.
- Methodologie:
- Na het meertraps dwarswalsen hebben we de microstructuur, textuur en magnetische eigenschappen van UNS S32101-staalmonsters gekarakteriseerd en gemeten.
- Magnetische metingen nabij de snijranden zijn uitgevoerd met een mobiel B–H-meetsysteem.
