Magnetische verzadiging van staal: waarom meer staal niet altijd meer houdkracht geeft

Bij het gebruik van magneten speelt niet alleen de magneet zelf een rol, maar ook het materiaal waartegen deze wordt geplaatst. Staal kan het magnetisch veld versterken en geleiden, maar dit effect heeft een natuurlijke grens. Die grens wordt magnetische verzadiging genoemd. Begrijpen wat magnetische verzadiging is, helpt om realistische verwachtingen te hebben van houdkracht in de praktijk.

Wat is magnetische verzadiging?

Magnetische verzadiging treedt op wanneer een ferromagnetisch materiaal, zoals staal, geen significante toename van magnetisatie meer vertoont bij een sterker aangelegd magnetisch veld. In staal bevinden zich magnetische domeinen die zich onder invloed van een magneet uitlijnen. Naarmate het magnetisch veld sterker wordt, raken steeds meer domeinen uitgelijnd.

Zodra deze uitlijning grotendeels is bereikt, neemt de magnetisatie nog slechts beperkt toe, ook als het externe veld verder wordt verhoogd. Het staal gedraagt zich dan steeds minder als een versterkend medium en steeds meer als een neutrale ruimte voor het magnetisch veld.

Verzadiging is geen defect of slijtage, maar een intrinsieke materiaaleigenschap van ferromagnetische materialen. De exacte verzadigingsgrens hangt af van samenstelling, structuur en bewerking van het staal.

Waarom meer staal niet altijd meer houdkracht oplevert

In veel toepassingen wordt aangenomen dat dikker of zwaarder staal automatisch leidt tot meer houdkracht. In de praktijk werkt dit slechts tot een bepaalde grens. Dun staal kan de magnetische flux beperken doordat het relatief snel in verzadiging raakt.

Wordt het staal dikker, dan kan het meer magnetische flux geleiden en neemt de houdkracht toe. Dit effect houdt echter op zodra het verzadigingspunt is bereikt. Boven dat punt levert extra staal nauwelijks extra houdkracht meer op.

In die situatie wordt de maximale houdkracht niet langer beperkt door het staal, maar vooral door de eigenschappen van de magneet zelf en door de contactomstandigheden. Dit sluit aan bij de manier waarop houdkracht in de praktijk wordt bepaald.

De invloed van staalsoort

Niet elke staalsoort gedraagt zich hetzelfde in een magnetisch veld. Laagkoolstofstaal heeft doorgaans een hoge magnetische permeabiliteit en is daardoor zeer geschikt als tegenmateriaal voor magneten. Om die reden wordt dit type staal vaak gebruikt bij het bepalen van opgegeven trekkrachten.

Constructiestaal kan zich vergelijkbaar gedragen, maar de magnetische eigenschappen hangen sterker af van legering, microstructuur en bewerking. Hierdoor kan het magnetisch gedrag per toepassing verschillen.

Verzinkt staal bestaat uit staal met een dunne zinklaag. Zink is niet magnetisch en vormt een extra tussenlaag tussen magneet en staal. Deze extra afstand kan de effectieve houdkracht verlagen, wat ook samenhangt met de invloed van coatings en tussenlagen op magnetische prestaties.

Roestvast staal kan magnetisch of nauwelijks magnetisch zijn, afhankelijk van de microstructuur. Austenitische RVS-soorten, zoals 304 en 316, zijn doorgaans zwak magnetisch of praktisch niet-magnetisch. Ferritische en martensitische RVS-soorten zijn meestal wel magnetisch en gedragen zich meer als koolstofstaal.

Magnetische verzadiging bij potmagneten

Bij potmagneten is een permanente magneet omsloten door een stalen pot. Deze pot geleidt en bundelt het magnetisch veld, waardoor het veld geconcentreerd wordt aan het werkvlak. Dit verklaart waarom potmagneten in veel toepassingen efficiënter gebruikmaken van het beschikbare magnetisch veld.

De stalen pot kan echter zelf in magnetische verzadiging raken. Wanneer dat gebeurt, leidt een sterkere magneet in dezelfde pot niet automatisch tot meer houdkracht. In dat geval vormen de geometrie en materiaaleigenschappen van de pot de beperkende factor.

Naast verzadiging kan staal ook magnetisch blijven nadat het magnetische veld is verdwenen, een verschijnsel dat wordt verklaard door magnetische hysterese en restmagnetisme, zoals uitgelegd in dit artikel over magnetische hysterese en restmagnetisme.

Verzadiging en opgegeven trekkracht

De opgegeven trekkracht van magneten wordt doorgaans gemeten onder ideale testcondities. Daarbij wordt gebruikgemaakt van een vlakke, schone en voldoende dikke staalplaat, zodat het staal de magnetische flux kan geleiden zonder vroegtijdige verzadiging en zonder noemenswaardige luchtspeling.

In praktische toepassingen wijken de omstandigheden vaak af. Denk aan dunnere staalplaten, coatings, roest, ruwe oppervlakken of kleine luchtspleten. Hierdoor kan de ervaren houdkracht lager uitvallen dan de opgegeven waarde, zonder dat de magneet zwakker is of defect.

Deze nuance sluit aan bij de uitleg over trekkracht en meetcondities.

Veelvoorkomende misverstanden

Een veelvoorkomend misverstand is dat extra dik staal altijd een oplossing is voor onvoldoende houdkracht. Dit helpt alleen zolang het staal nog niet verzadigd is. Zodra de magnetische flux grotendeels door het materiaal wordt geleid, voegt extra dikte weinig toe.

Ook het combineren van meerdere magneten naast elkaar leidt niet automatisch tot een evenredige toename van houdkracht. De effectieve kracht wordt begrensd door magnetische verzadiging van het staal, luchtspeling en onderlinge veldinteractie. Hierbij speelt ook de magnetiseringsrichting een rol.

Praktische conclusie

Staal versterkt de werking van magneten, maar slechts tot een bepaald punt. Magnetische verzadiging is een normaal en voorspelbaar verschijnsel bij ferromagnetische materialen.

Door rekening te houden met staalsoort, dikte en contactvlak kunnen magnetische toepassingen betrouwbaarder worden ontworpen en realistischer worden beoordeeld. Wie begrijpt waar deze grens ligt, voorkomt teleurstelling en maakt beter onderbouwde keuzes bij het gebruik van magneten.

MagneetjesWinkel.nl – de betrouwbare webshop en bron voor magneten en magneetkennis.

Bronnen

1. Wikipedia – Magnetic saturation
2. D. C. Jiles, Introduction to Magnetism and Magnetic Materials, CRC Press
3. B. D. Cullity & C. D. Graham, Introduction to Magnetic Materials, IEEE Press
4. ASM Handbook, Volume 1 – Properties and Selection: Irons, Steels
5. Engineering Toolbox – Magnetic properties and pull force fundamentals
6. Wikipedia – Stainless steel (magnetic properties)
7. British Stainless Steel Association – Magnetic properties of stainless steels

Technisch team MagneetjesWinkel.nl De informatie op deze pagina is zorgvuldig samengesteld door het technisch team van MagneetjesWinkel.nl. Zo ben je verzekerd van betrouwbare en actuele informatie over magneten en hun toepassingen.