Przyczyny magnetyczności austenitycznych stali nierdzewnych

Magnetyczność stali nierdzewnych jest ściśle uzależniona od struktury krystalicznej stali, stale o strukturze ferrytycznej, martenzytycznej, ferrytyczno-austenitycznej (duplex) są magnetyczne. Austenityczne stale nierdzewne (np. 302, 304, 316) są niemagnetyczne, ale w wyniku umocnienia przez zgniot mogą wykazać pewien niewielki stopień własności magnetycznych. W przypadku silnie odkształcanych plastycznie elementów zjawisko jest związane z powstawaniem fazy martenzytycznej, która jest magnetyczna i powoduje, że stal zaczyna przyciągać magnes.

Obróbka plastyczna na zimno

Obróbka plastyczna na zimno znacznie zwiększa własności mechaniczne materiału i często jest wykonywana właśnie z tego względu. W przypadku niektórych form produktów takich jak na przykład druty obróbka plastyczna jest bezpośrednio związana z procesem jego produkcji. Druty podczas ciągnienia, gdzie uzyskują coraz to mniejszą średnicę są umacniane przez zgniot. W efekcie tego ich własności magnetyczne mogą ulec zwiększeniu. Druty o mniejszych średnicach uzyskują wyższe własności mechaniczne w wyniku umocnienia przez to też ich własności magnetyczne mogą być wyższe.

Przeróbka plastyczna na zimno stali austenitycznych może spowodować częściowe przekształcenie fazy austenitycznej w martenzyt, który jest ferromagnetyczny. Zjawisko to w znacznym stopniu zależy od składu chemicznego stali w szczególności od udziału pierwiastków stabilizujących fazę austenityczną.

Na rysunku 1 przedstawiono wpływ umocnienia przez zgniot w wyniku obróbki plastycznej na własności magnetyczne – przenikalność magnetyczną stali austenitycznych typu 302, 304, 316. Stale o niższym stężeniu niklu 301 (EN 1.4310) wykazują mniej stabilna strukturę austenityczną, przez co ulegają silnemu umocnieniu przez zgniot i ich własności magnetyczne znacznie się zwiększają w porównaniu do stali o stabilnej strukturze austenitycznej np. AISI 316 ( EN 1.4401), które umacniają się wolniej a zmiana ich własności w wyniku obróbki plastycznej jest niewielka.

 Rys. 1. Wpływ umoczenia przez zgniot na własności magnetyczne austenitycznych stali nierdzewnych [1]

 

Austenityczne stale nierdzewne są ogólnie niemagnetyczne i charakteryzują się przenikalnością magnetyczną wynoszącą ok. 1. W stalach austenitycznych uzyskanie wartość przenikalności magnetycznej ponad 1 jest związane z udziałem fazy ferrytycznej i martenzytycznej w strukturze stali, a także zależy od składu chemicznego stali oraz warunków obróbki cieplnej i plastycznej.

Obróbka plastyczna na gorąco

Magnetyczność stali podczas obróbki plastycznej na gorąco jest związana z występowaniem niewielkiego udziału ferrytu w strukturze stali austenitycznej, co bezpośrednio wynika z jej składu chemicznego. Niektóre odlewane odmiany stali nierdzewnych posiadają strukturę złożoną z austenitu z kilkuprocentowym udziałem ferrytu, który poprawia własności stopów odlewanych, a także skłonność do pękania na gorąco stali o strukturze w pełni austenitycznej na przykład podczas spawania. Dla porównania stal austenityczna gatunku 316 wytwarzana technologią obróbki plastycznej jest niemagnetyczna, a jej odlewana odmiana gatunek CF-8M może zawierać od 5 do 15% ferrytu, co wynika z wyższego stężenia chromu w tym gatunku stali.

Niskostopowe gatunki stali austenitycznych takie jak 304 mogą zawierać w stanie niewyżarzonym kilka procent ferrytu, co wynika z ich składu chemicznego. Wyższe stężenie niklu w stali sprzyja stabilizacji fazy austenitycznej, co zapobiega powstaniu ferromagnetycznego ferrytu. Generalnie im wyższy stosunek niklu (pierwiastków austenitotwórczych) do chromu (pierwiastków ferrytotwórczych) tym struktura austenityczna stali jest stabilniejsza i niższa skłonność do jej magnetyczności związanej z powstaniem martenzytu w wyniku obróbki plastycznej na zimno.

Obróbka cieplna

Niekorzystny wzrost wartości przenikalności magnetycznej (własności magnetycznych) może zostać zniwelowany po przeprowadzeniu obróbki cieplnej polegającej na wyżarzaniu w temperaturze 1000 - 1150ºC z szybkim chłodzeniem. Podczas takiego zabiegu powstały martenzyt zostaje przekształcony ponownie w paramagnetyczny austenit. Przenikalność magnetyczna wszystkich stali AISI serii-300 w stanie wyżarzonym wynosi około 1,02.

Skład chemiczny

Pierwiastki stabilizujące fazę austenityczną (nikiel, azot) zmniejszają skłonność stali austenitycznych do umocnienia przez zgniot. Dodatek molibdenu, tytanu i niobu wpływają na stabilizację fazy ferrytycznej. Gatunki zawierające azot takie jak: AISI 304LN (EN 1.4311), AISI 316LN (EN 1.4406) lub gatunki o podwyższonym stężeniu niklu AISI 310 (EN 1.4845) i AISI 305 (EN 1.4303) charakteryzują się niższą przenikalnością magnetyczną, natomiast gatunki: AISI 301 (EN 1.4310), AISI 321 (EN 1.4541) i AISI 347 (EN 1.4550) wyższą przenikalnością magnetyczną - zawierają niższe stężenie niklu lub dodatki pierwiastków stabilizujących ferryt (tytan, niob).

Spawanie

Podczas spawania tego rodzaju stali może dojść do zmian strukturalnych. Austenitu w materiale rodzimym może przekształcić się w ferryt podczas oddziaływania wysokiej temperatury i podczas chłodzenia może częściowo pozostać w strukturze stali, jako ferryt szczątkowy. W konsekwencji przenikalność magnetyczna spoiny i w strefie wpływu ciepła może być znacznie wyższa niż w materiale rodzimym przed procesem spawania. Podobny efekt na własności magnetyczne może mieć cięcie plazmą lub płomieniowe austenitycznych stali nierdzewnych.

Stale typu AISI 304 i 316 (EN 1.4301 i 1.4401) w stanie dostawy wykazują strukturę austenityczną i są niemagnetyczne, ale w ich strukturze może zawsze występować pewien niewielki udział ferrytu delta, który nadaje własności ferromagnetyczne. Zwykle udział ferrytu delta w spawanych złączach ze stali tego typu (AISI 304 i 316) wynosi od 3 do 10%, co jest zjawiskiem normalnym i wręcz pożądanym ze względu na skłonność do pękania na gorąco w pełni austenitycznej struktury stali po spawaniu. Z tego względu do spawania stali austenitycznych typu 304, 316 stosuje się materiały dodatkowe, które dadzą pewien udział ferrytu w strukturze i co się z tym wiąże spoina będzie wykazywać własności magnetyczne.

Takie zjawisko nie jest niepokojące, jeżeli dany element spawany nie ma szczególnych wymagań odnoście własności magnetycznych i wtedy nie występuje konieczność wykonywania dodatkowych czynności. W przypadku potrzeby wyeliminowania takiego zjawiska cały element można podać standardowej obróbce cieplnej dla stali austenitycznych, polegającej na przesycaniu z właściwej temperatury.

 

Literatura

[1]. Atlas Specialty Metal Tech Note 11 “Magnetic Response of Stainless Steel”

[2]. Spawanie stali nierdzewnych, Seria: materiały i zastosowania, księga 3, Euro-Inox, 2002, www.stalenierdzewne.pl

[3]. Co to jest ferryt delta i dlaczego jego ograniczenie w strukturze wpływa na tworzenie się fazy sigma?, www.stalenierdzewne.pl