Własności magnetyczne stali nierdzewnych

30-08-2019

Własności magnetyczne stali nierdzewnych

Magnetyczność stali nierdzewnych jest uzależniona od ich struktury krystalicznej. Stale nierdzewne o strukturze ferrytycznej, martenzytycznej, ferrytyczno-austenitycznej typu duplex oraz stale umacniane wydzieleniowo wykazują własności magnetyczne (magnesowalność), natomiast struktura austenityczna jest niemagnetyczna.

Własności magnetyczne

Dla stali nierdzewnych własności magnetyczne charakteryzuje się za pomocą:

przenikalności magnetycznej względnej (bezwymiarowy współczynnik) μ_r – określającej zdolność danego materiału do zmiany indukcji magnetycznej B pod wpływem natężenia pola magnetycznego H, a jej punktem odniesienia jest przenikalność magnetyczna próżni μ₀. Z czego wynika zależność B = μ₀·μ_r·H. W zależności od wartości względnej przenikalności magnetycznej wyróżnia się:
- diamagnetyki, dla których μ_r ≤1,
- paramagnetyki, dla których μ_r jest ≥1; do tej grupy materiałów zalicza się austenityczne stale nierdzewne (potocznie określane jako materiały niewykazujące własności magnetycznych),
- ferromagnetyki, należą paramagnetyków, dla których µ_r osiąga bardzo duże wartości (µ_r » od 1); do tej grupy należą stale ferrytyczne, martenzytyczne, duplex oraz umacniane wydzieleniowo stale nierdzewne;
koercji magnetycznej H_C, A/m, która oznacza wartość natężenia pola magnetycznego skierowanego przeciwnie do kierunku namagnesowania materiału, powodującego zmniejszenie indukcji magnetycznej B w materiale do zera (natężenie pola magnetycznego potrzebne do całkowitego rozmagnetyzowania materiału).

Własności magnetyczne stali nierdzewnych opisane przez przenikalność i koercję magnetyczną są zależne od ich własności mechanicznych (rys. 1).

Rys. 1 Przenikalność i koercja magnetyczna w zależności od umownej granicy plastyczności stali nierdzewnych

Austenityczne stale nierdzewne

Austenityczne stale nierdzewne w stanie przesyconym nie wykazują własności magnetycznych, są niemagnesowalne (przenikalność magnetyczna m_r=ok. 1). W tych stalach uzyskanie przenikalności magnetycznej ponad 1 (pojawienie się magnesowalności) jest związane z udziałem fazy ferrytycznej i martenzytycznej w strukturze, a także zależy od składu chemicznego stali i warunków obróbki cieplnej oraz plastycznej (tab. 1).

Przyczyny magnetyczności austenitycznych stali nierdzewnych

Obróbka plastyczna na zimno – w trakcie kształtowania gotowych wyrobów w strukturze stali może powstawać magnetyczny martenzyt, który powoduje wzrost własności magnetycznych, np. podczas gięcia rur, obróbki skrawaniem prętów, kształtowania przez rozciąganie, głębokiego tłoczenia itd.;
Forma wyrobu – w materiałach z austenitycznej stali nierdzewnej, które w trakcie produkcji poddane są silnemu umocnieniu przez zgniot w celu uformowania do określonego kształtu, może wzrosnąć magnetyczność, np. podczas ciągnienia drutów, wyciskania prętów (druty i pręty mogą wykazywać większe własności magnetyczne niż wyroby płaskie, np. blachy);
Technologia wytwarzania (odlewanie, kształtowane przez obróbkę plastyczną) – elementy odlewane ze stali nierdzewnych ze względu na specyficzny skład chemiczny stopów odlewniczych zawierają większy udział ferrytu (faza magnetyczna) niż wyroby wytwarzane przez obróbkę plastyczną, co powoduje ich większą magnetyczność;
Spawanie – austenityczne stale nierdzewne wymagają stosowania spoiw zawierających kilka procent ferrytu, który pozytywnie wpływa na własności uzyskiwanych złącz spawanych i jednocześnie powoduje wzrost własności magnetycznych w obszarze spoiny.

Wpływ obróbki plastycznej na zimno na własności magnetyczne austenitycznych stali nierdzewnych

Austenityczne stale nierdzewne są niemagnetyczne, ale ich magnesowalność może ulec zmianie w wyniku obróbki plastycznej na zimno, podczas której dochodzi do przemiany części austenitu w martenzyt w wyniku umocnienia przez zgniot (przemiana martenzytyczna indukowana odkształceniem plastycznym). Faza martenzytyczna jest magnetyczna co skutkuje lekką magnetycznością stali austenitycznych.

W przypadku niektórych form wyrobów, takich jak np. druty ze stali nierdzewnej, obróbka plastyczna jest bezpośrednio związana z procesem ich kształtowania. Druty podczas ciągnienia, kiedy to uzyskują coraz to mniejszą średnicę, są silnie umacniane przez zgniot. W efekcie tego ich własności magnetyczne mogą ulec zwiększeniu. Druty o mniejszych średnicach uzyskują wyższe własności mechaniczne w wyniku umocnienia, co powoduje, że ich własności magnetyczne mogą być wyższe.

Podatność austenitycznych stali nierdzewnych na przemianę martenzytyczną w wyniku obróbki plastycznej na zimno zależy od ich składu chemicznego. Stale o niskim stężeniu pierwiastków austenitotwórczych – niklu, manganu, węgla i azotu są bardziej podatne na taką przemianę. Z tego względu stale 1.4310, 1.4301, nawet przy niewielkim stopniu umocnienia przez zgniot, wykazują wzrost magnetyczności. Gatunki o bardziej stabilnej strukturze austenitycznej, np. 1.4401, 14539, które umacniają się wolniej, a zmiana ich własności w wyniku obróbki plastycznej jest mniejsza, wykazują niewielki wzrost własności magnetycznych w wyniku kształtowania na zimno (rys. 2).

Rys. 2 Wpływ umocnienia przez zgniot na własności magnetyczne austenitycznych stali nierdzewnych

Gatunki zawierające azot, takie jak np. 1.4311 lub gatunki o podwyższonym stężeniu niklu 1.4845, 1.4303 charakteryzują się niższą przenikalnością magnetyczną (niższa magnesowalność), natomiast gatunki 1.4310 1.4541 i 1.4550, zawierające niższe stężenie niklu lub dodatki pierwiastków stabilizujących ferryt (tytan, niob), wykazują wyższą przenikalność magnetyczną (wyższa magnesowalność).

Usuwanie magnesowalności austenitycznych stali nierdzewnych

Magnesowalność stali austenitycznej można zniwelować przez obróbkę cieplną, która polega na przesycaniu stali z temperatury 1000÷1150ºC (w zależności od składu chemicznego stali) wraz z przyśpieszonym chłodzeniem w wodzie lub na powietrzu. W ten sposób można przywrócić własności magnetyczne stali do stanu właściwego dla materiałów paramagnetycznych (niewykazujących własności magnetycznych).

Wpływ magnetyczności na odporność korozyjną

Ogólnie przyjmuje się, że magnesowalność austenitycznych stali nierdzewnych nie ma wpływu na ich własności, w tym także na odporność korozyjną. Odporność korozyjna stali nierdzewnych jest zależna och ich składu chemicznego, a nie od struktury krystalicznej, która jest odpowiedzialna za występowanie zjawisk magnetycznych. Przykładowo odkształcony na zimno gatunek stali nierdzewnej typu 1.4301 (przez gięcie, głębokie tłoczenie, kształtowanie przez rozciąganie itd.) będzie przyciągany przez magnes, co nie wpływa negatywnie na jego odporność korozyjną.

Ferrytyczne stale nierdzewne

Ferrytyczne stale nierdzewne należą do materiałów magnetycznie miękkich – ferromagnetycznych. To znaczy, że pod wpływem zmian pola magnetycznego można je łatwo namagnesować lub rozmagnesować. Podatność na magnesowanie ferrytycznych stali nierdzewnych zależna jest od ich składu chemicznego. Wyższe stężenie pierwiastków ferrytotwórczych (głównie chromu), dodatek pierwiastków stabilizujących (niobu i tytanu) oraz krzemu wpływają na zwiększenie przenikalności magnetycznej.

Ferrytyczno-austenityczne stale nierdzewne

Stale o strukturze ferrytyczno-austenitycznej ze względu na udział ferrytu wykazują podatność na magnesowanie. W odróżnieniu do stali ferrytycznych stale dwufazowe posiadają niską przenikalność magnetyczną i wyższą koercję magnetyczną. Wzrost udziału pierwiastków stopowych w stalach duplex (od lean duplex do super-duplex i hyper-duplex) powoduje wzrost koercji magnetycznej stali (tab. 1).

Martenzytyczne stale nierdzewne

W wyniku obróbki cieplnej martenzytyczne stale nierdzewne uzyskują pożądaną strukturę martenzytyczną. W stanie wyżarzonym (w tym stanie są dostarczane) wykazują jeszcze strukturę ferrytu (stale ferrytyczne zalicza się do materiałów magnetycznie miękkich – pod wpływem zmian pola magnetycznego można je łatwo „namagnesować” lub „rozmagnesować”). Po obróbce cieplnej (hartowaniu i odpuszczaniu) następuje wzrost udziału fazy martenzytycznej w strukturze, co wpływa na podwyższenie własności mechanicznych i twardości, a także wzrost koercji (natężenia pola magnetycznego potrzebnego do rozmagnetyzowania stali). Powoduje to, że stal martenzytyczna po obróbce cieplnej będzie trudniejsza w rozmagnetyzowaniu niż przed obróbką, gdy ma jeszcze strukturę ferrytu. W tablicy 1 zestawiono własności magnetyczne wybranych gatunków stali nierdzewnych w różnym stanie obróbki cieplnej.

Tab. 1. Własności magnetyczne stali nierdzewnych w różnym stanie obróbki cieplnej (brak umocnienia przez zgniot)

Typ stali	Gatunek EN/ AISI	Stan obróbki cieplnej	Przenikalność magnetyczna względna m_r	Koercja magnetyczna H_C, A/m
martenzytyczna	1.4006	wyżarzanie	750	480
	1.4005	hartowanie	95	2900
	1.4112	hartowanie	62	5100
ferrytyczna	1.4104	wyżarzanie	1800	160
	1.4749	wyżarzanie	1000	360
	1.4511	wyżarzanie	2000	150
duplex	1.4462	przesycanie	40	700
duplex	1.4507	przesycanie	30	750
austenityczna	1.4301	przesycanie	1,003	-
austenityczna	1.4401	przesycanie	1,003	-

Inne źródła: