Bevezetés
Első pillantásra, a kérdés „Az acél mágneses?” triviálisnak tűnik. A gemkapocs a hűtőmágnesre tapad – szóval igen, az acél mágneses.
De kérdezzen meg egy mérnököt, aki rozsdamentes acél csővezeték-alkatrészekkel dolgozik, és a válasz azzá válik: attól függ.
Az acél nem egyetlen anyag; ez a vas-szén ötvözetek családja, nagyon eltérő mikroszerkezettel.
Egyes acélok erősen ferromágnesesek, mások teljesen nem mágnesesek, és néhány közé esik.
Ez a cikk öt szögből boncolgatja az acél mágnesességét: alapvető fizika, krisztallográfia, ötvözet összetétele, feldolgozási előzmények, és gyakorlati tesztelés.
A végére, meg fogja érteni nemcsak vajon egy adott acél mágneses, de Miért – és hogyan lehet megjósolni vagy módosítani ezt a viselkedést.
1. Miért az acél általában mágneses?
Az acél általában mágneses, mert a leggyakoribb kohászati fázisaira épülnek vas, a vas pedig testközpontú kristályformáiban ferromágneses elem.
Gyakorlati szempontból, az acél mágneses válaszát szabályozza kristályszerkezet, elektron spin igazítás, és fázis egyensúly.
Minél inkább tartalmaz egy acél ferrites vagy martenzites szerkezetet, általában annál erősebb a mágneshez való vonzódása.
A kristályszerkezet, mint a mágnesesség alapja
Az acél mágneses viselkedése nem véletlen. Abban gyökerezik, ahogyan a vasatomok elrendeződnek a kristályrácsban, és abban, hogy párosítatlan elektronjaik hogyan lépnek kölcsönhatásba.
Ferrit: a fő mágneses fázis
A közönséges acél legfontosabb mágneses fázisa az alfa-ferrit, amelynek van a testközpontú köbös (BCC) kristályszerkezet.
Ebben az elrendezésben, A vasatomok lehetővé teszik a mágneses domének könnyű illeszkedését, így az anyag erős ferromágnesességet mutat.
Ezért a szénacél, gyengén ötvözött acél, és sok szerkezeti acél erősen vonzódik a mágneshez.
Az auszteniták: a gyengén mágneses vagy nem mágneses fázis
Ezzel szemben, Austenit rendelkezik a arcközpontú köbös (FCC) szerkezet.
Ez a szorosabb atomi tömítés megváltoztatja az elektronok elrendezését, és ugyanúgy megakadályozza a nagy hatótávolságú mágneses tartományok összehangolását, mint a ferrit.
Ennek eredményeként, Az ausztenites acél lágyított állapotban jellemzően gyengén mágneses vagy szinte nem mágneses.
martenzit: mágneses és edzett
Amikor az acélt kioltják, az ausztenit átalakulhat martenzit, a BCC családból származó testközpontú tetragonális szerkezet.
A martenzit mágnesesen érzékeny marad, ezért az edzett acélok még mindig mágnesesek, és gyakran még erősebbek is, mint az ausztenites állapot, amelyből származtak.
Miért általában mágneses a szobahőmérsékletű acél?
Szobahőmérsékleten, a leggyakoribb acélok vagy ferritet tartalmaznak, martenzit, vagy mindkettő keveréke. Ezek a fázisok megőrzik a ferromágnesességhez szükséges tartomány-illesztést.
Ezért a közönséges szerkezeti acél, szerszámacél, és sok ötvözött acél minden különleges kezelés nélkül erősen reagál a mágnesre.
A fő kivétel az ausztenites acélok, de még ezek sem mindig teljesen nem mágnesesek.
Hideg munka, alakítás, vagy súlyos deformáció lokális martenzites átalakulást hozhat létre és részben mágnesessé teheti őket.
| Mágneses viselkedés | Leírás | Acélban fordul elő? |
| Ferromágneses | Erős vonzalom; megtartja a mágnesességet (hiszterézis) | Igen – a legtöbb szénacél, ferrites rozsdamentes, martenzites rozsdamentes |
| Paramágneses | Gyenge, átmeneti vonzalom; nincs hiszterézis | Igen – ausztenites rozsdamentes acélok (PÉLDÁUL., 304, 316) |
| Antiferromágneses | Nincs nettó mágnesezés; a mágneses momentumok megszűnnek | Nem |
| Diamágneses | Nagyon gyenge taszítás; minden anyag rendelkezik ezzel | Nem (túlterheltek az erősebb hatások az acélban) |
Így, a gyakorlati válasz „az acél mágneses?” van: a ferromágneses acélok mágnesesek; A paramágneses acélok szinte nem mágnesesek az alkalmi megfigyeléshez.
Curie hőmérsékleti hatás
Az acél mágnesessége a hőmérséklettől is függ. Minden ferromágneses anyag rendelkezik a Curie hőmérséklet, amely felett a termikus keverés legyőzi a mágneses tartomány rendezettségét és az anyag paramágnesessé válik.
A tiszta vasért, a Curie-hőmérséklet kb 770° C. E pont felett, a vas átmenetileg elveszti ferromágnesességét.
Amikor visszahűl, A mágnesesség állandó összetételváltozás nélkül tér vissza.
Ez megmagyaráz egy hasznos ipari megfigyelést: Az acél nem mágnesesnek tűnhet, miközben forró a kovácsolás során, hőkezelés, vagy ausztenitizáló, de lehűlés után visszanyeri mágneses viselkedését.
A mágneses változás tehát reverzibilis és hőmérsékletfüggő, nem feltétlenül kémiai változás jele.
2. Mágneses viselkedés a Steel családtól
Gyakorlati mérnöki szempontból, annál többet tartalmaz egy acélcsalád ferrit vagy martenzit, annál mágnesesebb szokott lenni.
Minél inkább stabilizálódik egy austenit szerkezet, általában annál gyengébb lesz a mágneses válasza.
Általános acélcsaládok és mágneses viselkedés
| Acél család | Közös osztályzatok / típus | Tipikus mágneses viselkedés | Műszaki megjegyzés |
| Szénacél | AISI 1010, 1018, 1020, 1045, 1095 | Erősen mágneses | A legtöbb szénacél ferritet és/vagy martenzitet tartalmaz, így általában erősen vonzódnak egy mágneshez. |
| Gyengén ötvözött acél | 4140, 4340, 8620, 4130 | Erősen mágneses | Az ötvözés nem távolítja el a mágnesességet, hacsak nem stabilizálja erősen az ausztenitet; a legtöbb gyengén ötvözött acél mágneses marad. |
| Ötvözött acél | Króm-molibdén acél, nikkel-króm acél, szerkezeti ötvözött acél | Általában mágneses | Az „ötvözött acél” egy széles kategória; a legtöbb minőség még mindig ferrites vagy martenzites, ezért mágneses. |
| Szerkezeti acél | ASTM A36, Q235, S235, S355 | Erősen mágneses | A széles körben használt szerkezeti acélok általában ferritesek és egyértelműen reagálnak a mágnesekre. |
| Szerszámacél | D2, O1, A2, H13, W1 | Erősen mágneses | A szerszámacélok gyakran még hőkezelés után is mágnesesek, mert a martenzit a domináns fázis. |
Rugós acél |
5160, 1075, 1095 rugóacél | Erősen mágneses | A nagy széntartalmú rugóacélok jellemzően martenzitesek a hőkezelés után, és erősen mágnesesek maradnak. |
| Csapágyacél | AISI 52100 | Erősen mágneses | A magas széntartalmú krómtartalmú acél martenzites mátrixa miatt általában mágneses. |
| Időjárásálló acél | Corten A, Corten B | Erősen mágneses | Az időjárásálló acélok még mindig vas alapú szerkezeti acélok, és erős mágneses reakciót tartanak fenn. |
| Elektromos acél / szilícium acél | M19, M27, 1008 elektromos acél | Mágneses, gyakran szabályozott mágnesességre tervezték | Ezeket az acélokat kifejezetten motorok és transzformátorok mágneses teljesítményére tervezték. |
| Ferrites rozsdamentes acél | 409, 430, 439 | Mágneses | A ferrites rozsdamentes acélok mágnesesek maradnak, mert szerkezetük ferrites, nem ausztenites. |
Martenzites rozsdamentes acél |
410, 420, 440C | Erősen mágneses | Ezek a minőségek mágnesesek és edzhetők. |
| Duplex rozsdamentes acél | 2205, 2507 | Mágneses | A duplex acélok ferritet és ausztenitet is tartalmaznak, így észrevehető mágnesességet mutatnak. |
| Ausztenites rozsdamentes acél | 304, 316, 316L, 321 | Általában gyengén mágneses vagy majdnem nem mágneses | Lágyított állapotban jellemzően nem mágnesesek vagy csak enyhén mágnesesek; a hidegmunka növelheti a mágnesességet. |
| Csapadékban keményedő rozsdamentes acél | 17-4PH, 15-5PH, 13-8MO | Általában mágneses | Ezek a minőségek gyakran mutatnak mágneses választ vegyes szerkezetük és hőkezelési állapotuk miatt. |
3. Mi változtatja meg az acél mágneses reakcióját
Az acél mágneses válasza nem rögzített. Ezzel változhat összetétel, hőkezelés, deformáció, fázis egyensúly, és hőmérséklet.
Gyakorlati szempontból, az egy állapotban erősen mágnesesnek tűnő acél gyengülhet, erősebb, vagy lokálisan változó egy másikban.
Ötvözőkémia
Az acél ötvözőelemei befolyásolják, hogy mely fázisok képződnek és mennyire maradnak stabilak.
- Nikkel hajlamos az ausztenit stabilizálására és a mágneses válasz csökkentésére.
- Króm javítja a korrózióállóságot, de önmagában nem távolítja el a mágnesességet.
- Mangán és nitrogén bizonyos acélok ausztenites szerkezetét is stabilizálja.
- Szén erősen befolyásolja a keményedést, és elősegítheti a martenzites átalakulást az oltás után.
Ezért a sima szénacél általában erősen mágneses, míg a jelentős nikkeltartalmú ausztenites rozsdamentes acél csak gyengén mágneses lehet.
Hőkezelés
A hőkezelés megváltoztatja az acél belső kristályszerkezetét, és ez közvetlenül megváltoztatja a mágnesességet.
- Lágyítás lágyíthatja az acélt és megváltoztathatja a mágneses választ a jelenlévő fázistól függően.
- Eloltás képes az ausztenitet martenzitté alakítani, ami általában növeli a mágnesességet.
- Edzés módosítja a martenzitet, de általában nem szünteti meg a mágneses viselkedést.
- Oldat -lágyítás az ausztenites rozsdamentes acélban csökkentheti a mágnesességet azáltal, hogy helyreállítja a stabilabb ausztenites szerkezetet.
Ez az oka annak, hogy ugyanaz az ötvözet eltérő mágneses viselkedést mutathat a hőkezelés előtt és után.
Hidegmunka és képlékeny deformáció
A mechanikai deformáció növelheti a mágnesességet, különösen az ausztenites rozsdamentes acéloknál.
Hajlítás, gördülő, bélyegzés, rajz, vagy erős megmunkálás hatására az ausztenit egy része martenzitté alakulhat át.
Az eredmény egy acél, amely az alakítás után mágnesesebbé válik, mint lágyított állapotban.
Ez a hatás gyakran a leginkább észrevehető:
- hajlított rozsdamentes cső,
- mélyhúzott rozsdamentes alkatrészek,
- erősen hengerelt lap,
- valamint lokális igénybevétellel megmunkált ausztenites alkatrészek.
Fázis egyensúly
Az acél mágneses reakciója nagyban függ attól, hogy mennyi ferrit, martenzit, és Austenit tartalmaz.
- Több ferrit → erősebb mágneses válasz
- Több martenzit → erősebb mágneses válasz
- Több ausztenit → gyengébb mágneses válasz
Ez különösen fontos a duplex rozsdamentes acél esetében, ahol a ferrit és az ausztenit egyensúlya határozza meg az általános mágneses viselkedést.
Mivel a duplex acélok ferrites frakciót tartalmaznak, általában mágnesesek, bár nem olyan erősen mágnesesek, mint a sima szénacél.
Hőmérséklet
A hőmérséklet átmenetileg elnyomhatja a ferromágneses acél mágnesességét.
A felett Curie hőmérséklet, a rendezett mágneses tartományok elveszítik egymáshoz igazodását, és az anyag paramágnesessé válik.
Miután az acél e küszöb alá hűl, visszatér a mágnesesség.
Ez azt jelenti, hogy a forró acél nem mágnesesnek tűnhet kovácsolás vagy hőkezelés során, de ez nem jelenti azt, hogy az anyag megszűnt acél lenni, vagy véglegesen elvesztette mágneses tulajdonságait.
A változás reverzibilis és termikus.
Felületi állapot és helyi feldolgozás
Felületi csiszolás, hegesztés, lőtt peening, megmunkálás, és a maradó feszültségek lokális változást hozhatnak létre a mágneses válaszban.
Egyes acélokban, a felületi réteg mágnesesebbé válhat, mint a mag, ha a felület nyúlás által kiváltott átalakuláson vagy lokalizált fázisváltozáson megy keresztül.
Ez az egyik oka annak, hogy a mágneses teszt egyenetlen vonzást mutathat ugyanazon a részen.
4. Alkalmazásorientált anyagválasztás az acél mágneses teljesítménye alapján
Az acél mágnesessége nem csak laboratóriumi érdekesség. Valódi mérnöki munkában, befolyásolja összeszerelési viselkedés, érzékelési kompatibilitás, újrafeldolgozás, ellenőrzés, elektromos kölcsönhatás, és a környezeti alkalmasság.
A helyes választás tehát nem a „mágneses acél kontra nem mágneses acél” egyszerű értelemben, de az alkalmazás mágneses követelményeinek megfelelő acélcsalád.
Amikor az erős mágnesesség előnyös
Az erősen mágneses acélok általában a legjobb választás, ha a mágneses válasz hasznos magában az alkalmazásban.
Tipikus felhasználási esetek
- Szerkezetgyártás és általános gépek
- Mágneses rögzítő- és rögzítőrendszerek
- Hulladékválogatás és újrahasznosítás
- Mágneses elválasztók és tartóeszközök
- Kopásveszélyes alkatrészek szénből, eszköz, vagy martenzites acél
Ezekben az esetekben, erős mágneses válasz segíti a kezelést, elválasztás, és a rögzítés megtartása.
Szénacél, gyengén ötvözött acél, szerszámacél, és a ferrites vagy martenzites rozsdamentes acélt gyakran előnyben részesítik, mert egyesítik a mechanikai használhatóságot megbízható mágneses vonzással.
Amikor alacsony mágnesességre van szükség
Egyes alkalmazások nagyon gyenge mágneses választ vagy szinte nem mágneses viselkedést igényelnek.
Azokban az esetekben, lágyított ausztenites rozsdamentes acél általában az első anyagcsalád, amelyet értékelni kell.
Tipikus felhasználási esetek
- Orvosi és laboratóriumi berendezések
- Érzékeny elektronikai szerelvények
- Precíziós mérőrendszerek
- MRI-vel kapcsolatos környezetek
- Mágnesesen érzékeny házak és szerelvények
Ezekben a helyzetekben, még az enyhe mágnesesség is zavarhatja a működést.
Ausztenites minőségek, mint pl 304 és 316 általában azért választják ki, mert lágyított állapotban általában gyengén mágnesesek.
Viszont, a tervezésnek figyelembe kell vennie, hogy a hidegmunka növelheti a mágnesességet, tehát a történelem feldolgozása legalább annyira számít, mint a névleges osztályzat.
Amikor a szabályozott mágnesesség hasznos
Egyes alkalmazások nem igényelnek maximális mágnesességet vagy minimális mágnesességet. Kell nekik előrelátható, mérsékelt mágneses viselkedés.
Tipikus felhasználási esetek
- Duplex rozsdamentes acél szerkezetek
- Korrózióálló berendezések teherbírási követelményekkel
- Kloridos környezetnek kitett ipari alkatrészek
- Nyomástartó alkatrészek, amelyek nagyobb szilárdságot igényelnek, mint a 316 liter
A duplex rozsdamentes acél jó példa erre. Nagy szilárdságot és korrózióállóságot kínál, miközben ferrites frakciója miatt mágneses marad.
Ez akkor hasznos, ha az alkatrésznek ellenállnia kell a kloridos feszültségkorróziós repedéseknek, és meg kell őriznie a jó mechanikai teljesítményt.
A mágneses válasz nem a tervezési cél, de a mikrostruktúra előrelátható következménye.
5. Gyakorlati következmények és tévhitek
Miért mágneses a „rozsdamentes acél” hűtőm??
Sok hűtőszekrény ajtaja készül ferrites rozsdamentes acél (PÉLDÁUL., 430), nem ausztenites.
A ferrites rozsdamentes acél olcsóbb, jó korrózióállósággal rendelkezik beltéri használatra, és mágneses – ami kényelmesen lehetővé teszi a mágnesek tapadását.
Ha a hűtőd abból készült 304, a mágnesek nem tapadnak meg.
Használhatok mágnest acélhulladék válogatására?
Igen, de fenntartásokkal:
- Szénacél, ferrites, martenzites → mágneses → vashulladék.
- Austenit rozsdamentes (304, 316) → nem mágneses → nagy értékű rozsdamentes hulladék.
- A duplex rozsdamentes → gyengén mágneses → rosszul válogatható, ha nem vigyázunk.
- A hidegen megmunkált ausztenites → gyengén mágneses lehet, összezavarva a válogatót.
A „nem mágneses acél” teljesen nem mágneses?
Nem. Még az ausztenites rozsdamentes acél is rendelkezik paramágneses permeabilitással >1. Erős mágneses térben (PÉLDÁUL., MRI gépek), kicsi, de mérhető vonzerőt produkálnak.
Az igénylő alkalmazásokhoz rendkívül alacsony mágneses szuszceptibilitás (PÉLDÁUL., NMR csövek), speciális ötvözeteket, például MP35N-t vagy titánt használnak.
Demagnetizálhatom-e a mágneses acélt??
Igen, de korlátokkal:
- Szénacélhoz: alkalmazzunk egy váltakozót, csökkenő mágneses tér (gáztalanítás). Viszont, az acél ferromágneses jellege megmarad; könnyen újramágnesezhető.
- Ausztenites rozsdamentes ausztenites martenzithez: magas hőmérsékletű oldatos izzítás (1050° C) helyreállítja a nem mágneses ausztenitet, a mágnesesség megszüntetése. De ez nem praktikus nagy szerelvények esetén.
6. Következtetés
"Az acél mágneses?” nem lehet egyszerű igennel vagy nemmel válaszolni. A helyes válasz az:
Az acél akkor mágneses, ha a kristályszerkezete szobahőmérsékleten testközpontú köbös (BCC) vagy testközpontú tetragonális (BCT).
Nem mágneses (paramágneses) ha szerkezete arcközpontú köbös (FCC).
A mágnesesség mögötti kohászat megértése lehetővé teszi a mérnökök számára a megfelelő acél kiválasztását a mágneses tokmányoktól kezdve (ahol erős ferromágnesességre van szükség) MRI-kompatibilis sebészeti eszközökhöz (ahol még a nyommágnesesség is tilos).
Mindig kalibrált módszerrel tesztelje, és soha ne hagyatkozzon egy egyszerű mágnestesztre a kritikus anyagok ellenőrzéséhez.
GYIK
A nem mágneses 316L hegesztés után mágnesessé változhat?
Helyi delta-ferrit csapódik ki a hegesztési hőhatás zónában az egyenetlen hűtés során, gyenge részleges mágnesességet generál a hegesztési varratok közelében; A teljes alaplemez továbbra is megtartja a nem mágneses tulajdonságot.
Miért nem mágneses a magas nikkeltartalmú ausztenit, míg az alacsony nikkeltartalmú ferrit rozsdamentes acél mágneses?
A nikkel stabilizálja az FCC ausztenit rácsot, ami megzavarja a mágneses tartomány rendezett elrendezését; az alacsony króm-nikkeltartalmú összetétel nem képes elnyomni a BCC ferritképződést a benne rejlő ferromágnesességgel.
A rozsdamentes acél mágnesessége befolyásolja-e a korróziógátló képességét??
A deformáció által kiváltott részleges mágnesesség nem változtatja meg az ötvözet króm passzív filmképző képességét;
a korrózióállóság a kisebb helyi mágneses eltérések ellenére is megfelel az eredeti minőségi specifikációnak.
Vannak-e ferromágneses ausztenites acélok??
Igen, de nem gyakori. Némi magas mangántartalmú, magas alumíniumtartalmú acélok (az úgynevezett „nem mágneses”.) nagyon alacsony hőmérsékleten ferromágneses lehet.
Szobahőmérsékleten, nincs stabil ausztenites kereskedelmi rozsdamentes acél ferromágneses.
