Blog Ko Buijs: Magnetische permeabiliteit
Zoals velen weten is austenitisch roestvast staal niet te magnetiseren en ferritisch chroomstaal wel. Omdat deze typen uiterlijk niet veel van elkaar verschillen is het handig dat men op deze wijze deze twee soorten gemakkelijk uit elkaar kan houden. Met dit blog proberen we wat meer duidelijkheid te verschaffen over dit natuurlijke fenomeen van magnetisme en over de magnetische permeabiliteit.
Door Ko Buijs - www.innometconsultancy.nl
Laten we daarom starten met het begrip metaalbinding. De atomen in een metaalrooster worden aan elkaar verbonden door negatieve valentie-elektronen. Deze elektronen kunnen zich als een soort elektronengas door het metaalrooster bewegen omdat hun binding met de kern van het atoom relatief laag is. Dat is gelijktijdig ook de verklaring waarom een metaal elektriciteit kan geleiden. Dat vindt dus plaats dankzij de vrije elektronen die zich vrij door het metaalrooster kunnen bewegen. Als er negatieve elektronen zijn, betekent dat ook dat er positieve bestanddelen zijn en dat worden ook wel ‘rompen’ genoemd. De aantrekkingskracht die de positieve rompen en negatieve elektronen op elkaar uitoefenen, is gelijktijdig ook een maat voor de sterkte van de metaalbinding. Bij de meeste elementen is de tegenwerking van de onderlinge elektronen dusdanig dat deze metalen niet te magnetiseren zijn.
Er zijn echter enkele metalen die hierop een uitzondering maken en dat zijn ijzer, kobalt, nikkel en een aantal zeldzame aardmetalen. Vooral als men moet beschikken over sterke permanente magneten wordt van zeldzame aardmetalen gebruik gemaakt. Van de eerste drie genoemde metalen is ijzer verreweg het sterkste te magnetiseren. Kleine magnetische gebieden in metaalkristallen zijn door de natuurkundige Pierre Weiss ontdekt in ferromagnetische materialen. Dit worden dan per definitie Weiss-gebiedjes genoemd. Met een extern magneetveld verschuiven de wanden van deze gebiedjes die Weiss ook wel domeinen noemde.
In de richting van een extern magnetisch veld worden deze domeinen groter. Als alle domeinen zijn gemagnetiseerd in de richting van dit externe veld, dan is het metaal magnetisch verzadigd. Op deze wijze is ijzer te magnetiseren. Dat geldt ook voor chroomstaal omdat de kristallen kubisch ruimtelijk gecentreerd zijn. Zodra de atomen kubischvlak gecentreerd zijn dan wordt het materiaal austenitisch van aard. Op dat moment komt er een tegenwerking van de elektronen t.o.v. elkaar waardoor het austeniet niet meer te magnetiseren is. Hierbij wordt verwezen naar de blog over magnetisme en roestvast staal.
Ook kennen we het begrip magnetische permeabiliteit. Dit betreft een waarde van de magnetische geleidbaarheid van een bepaald medium dat uitgedrukt wordt in μ. Feitelijk betekent het woord permeabiliteit ‘doordringbaarheid’ wat weergeeft in welke mate een metaal magnetisch polariseert. Indien het zich richt naar het magneetveld wordt het magnetisme daardoor versterkt. Er wordt in de praktijk gerekend met de absolute permeabiliteit en de relatieve permeabiliteit. Laatstgenoemde geeft feitelijk weer hoeveel keer de magnetische veldlijnen bij voorkeur door het materiaal gaan dan in een vacuüm conditie. De relatieve waarden van de permeabiliteit hangt ook af van de omgevingstemperatuur. Kort gesteld, de permeabiliteit geeft het gemak aan waarmee een materiaal kan worden gemagnetiseerd. De absolute permeabiliteit kan alleen bepaald worden in een vacuüm omgeving.
Het zal duidelijk zijn dat er toepassingen zijn waarbij de magnetische permeabiliteit zo laag mogelijk moet zijn. Voorbeelden zijn bepaalde meetinstrumenten en behuizingen van kompassen. Daarom wordt in zulke gevallen volledig austenitisch materiaal toegepast. In dat geval kan de opdrachtgever een bepaalde magnetische permeabiliteit voorschrijven en dat komt de betrouwbaarheid van de meting ten goede.
Austenitisch roestvast staal is meestal metastabiel van aard en dat betekent dat bij een langzame afkoeling na het stollen enig ferriet ontstaat. Dat heeft maken met het nikkelgehalte dat de fabrikant zo laag mogelijk wil houden binnen de bandbreedte van de norm. Nikkel is namelijk een relatief duur metaal. Indien het nikkelgehalte zo hoog mogelijk wordt gehouden binnen deze bandbreedte, dan zal een stabiel austenitische structuur ontstaan. Deze is niet gevoelig is voor koudversteviging en dat is ideaal voor de magnetische permeabiliteit. Bij metastabiel austeniet zal na een bepaalde koudversteviging op de gedeformeerde plaatsen enig onderdrukt ferriet uitscheiden. Deze fase is te magnetiseren waardoor de magnetische permeabiliteit van het roestvast staal oploopt. Op deze wijze is dit materiaal minder of niet meer geschikt voor de genoemde meetinstrumenten.
De magnetische permeabiliteit van austenitisch roestvast staal kan met speciale apparatuur gemeten worden en de norm die hiervoor gebruikt kan worden staat vermeld in de ASTM standaard A342 – method No. 6.
