Магнитные и технические свойства металлов и сплавов нержавеющей стали

Магнитные и технические свойства железа и нержавеющих сталей и сплавов.

Рассматривая вопрос магнетизма металлов давайте взглянем на эти свойства с общих сторон, стараясь охватить все аспекты взаимодействия с магнитным полем.

Основной металл, который мы подразумеваем при упоминание о магнетизме это железо. Формула химического элемента Fe (ferrum).

Железо это металл серебристо-серого цвета. В природе встречается в виде железной руды, а также, по предположению ученых, ядро Земли также состоит из расплавленного железа.
Именно он формирует магнитное поле Земли.
Надо понимать, что в природе железо встречается в виде соединений с кислородом или серой, например Оксид железа (гематит, красный железняк), а также лимонит, магнетит, магнитный железняк и пирит, серный колчедан, железный колчедан и другие соединения.
Иногда встречается чистое железо, попадающее на Землю с метеоритами.

Магнитное поле Земли имеет внутриземное происхождение. Ядро Земли является жидким и состоящим из железа; в нем циркулируют круговые токи, которые и порождают земное магнитное поле: вокруг токов всегда есть магнитное поле. Оно не является симметричным.
Магнитные и географические полюса Земли не совпадают друг с другом. Южный магнитный полюс находится вблизи северного географического полюса вблизи северного берега озера Виктория (Канада). Северный магнитный полюс находится вблизи южного географического полюса вблизи берегов Антарктиды. Магнитные полюса Земли перемещаются (дрейфуют).
Но особенно большие изменения могут происходить в магнитосфере Земли. Эта область околоземного пространства, в котором сосредоточено магнитное поле Земли, простирается на расстояние 70–80 тыс. км в направлении на Солнце и на многие миллионы километров в противоположную сторону. В магнитосферу Земли вторгается множество заряженных частиц, входящих в состав солнечного ветра (потока плазмы солнечного происхождения).
Частицы солнечного ветра, главным образом протоны и электроны, захватываются магнитным полем Земли и увлекаются по винтовым траекториям вдоль силовых линий.
Во время увеличения солнечной активности интенсивность солнечного ветра возрастает. При этом частицы солнечного ветра ионизируют верхние слои атмосферы в северных широтах (где магнитные силовые линии сгущены) и вызывают там свечения — полярные сияния.
В магнитном поле Земли в условиях разреженного воздуха так светятся обычно атомы кислорода и молекулы азота. Магнитное поле Земли защищает ее жителей от солнечного ветра!

Магнитное поле Земли. Изображения взяты из свободных источников
Железо играет огромную роль в формировании Земли и создает магнитное поле, которое защищает людей от потоков Плазмы и ряженных частиц солнечного ветра, которые могут негативно влиять как на состояние планеты так и физическое состояние людей.
Железо используется в виде сплавов. Сплавами железа являются сталь и чугун. Сталь содержит 0,3-2% углерода, чугун — более 2% углерода.
В воде при наличии кислорода, железо медленно окисляется кислородом воздуха (корродирует), т.е ржавеет.
Железо образовалось в процессе термоядерного синтеза звезд и оно стало последней в этой цепочке термоядерной реакции, так называем пепел ядерной печи. Оно очень тяжелое и распространенное и потому наша планета (особенно в ядре Земли) составляет основной компонент, наряду с никелем и составляет почти одну треть массы. Также оно содержится и в мантии Земли. В земной коре железо занимает почётное четвёртое место по распространённости, после кислорода, кремния и алюминия.

Магнитные свойства вещества определяют по тому, как эти вещества реагируют на внешнее магнитное поле и каким образом упорядочена их внутренняя структура. Существует три основных класса веществ с резко различающимися магнитными свойствами: ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики.
Железо является ферромагнетиком.
Постоянные магниты могут быть изготовлены лишь из сравнительно немногих веществ, но все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются, т. е. сами становятся источниками магнитного поля. В результате этого вектор магнитной индукции  при наличии вещества отличается от вектора магнитной индукции  в вакууме.
Однако при нагревании до достаточно высокой температуры ферромагнитные свойства у тел исчезают (точка Кюри).
Существуют вещества, которые ведут себя подобно железу, т. е. втягиваются в магнитное поле. Эти вещества называют парамагнитными.
Диамагнетики вещества, которые выталкиваются из магнитного поля.
Магнитная проницаемость практически не зависит от индукции намагничивающего поля и от температуры. При вынесении диамагнетика из внешнего намагничивающего поля он полностью размагничивается и магнитного поля не создает.
Сверхпроводники — идеальные диамагнетики.
Применение железа и его соединений в производстве
Железо находит широкое применение в виде чугуна и стали в народном хозяйстве. Хлорид железа используется при травлении медных плат, а сульфат железа — в качестве хлопьеобразователя (коагулянта) при очистке воды. Ферриты двухвалентных металлов (магния, цинка, кобальта, никеля) применяют в радиоэлектронике, вычислительной технике.
При взаимодействии с кислородом железо сильно корродирует (ржавеет), что со временем отрицательно сказывается на массе и прочности материала.
Магнитные свойства железа и сплавов.
Магнитные свойства железа и стали объясняются движением электронов вокруг ядра атома. Это характерно для ферромагнитных металлов, к которым относятся эти материалы.
В чистом железе неспаренные электроны на внешней оболочке создают небольшие магнитные моменты. Эти моменты выстраиваются в одном направлении из-за квантово-механических обменных сил. Это приводит к образованию магнитных доменов — микроскопических областей, где все атомные магнитные моменты параллельны.
При воздействии внешнего магнитного поля домены выстраиваются в направлении поля, усиливая общий магнетизм материала. Эффект сохраняется в определённой степени после снятия внешнего поля, что объясняет эффективность железа для производства постоянных магнитов.
• Нагревание железа выше температуры Кюри (~770 °C) приводит к потере ориентации доменов, что делает материал немагнитным.
• Легирование железа немагнитными элементами, такими как хром или никель, может нарушить ориентацию доменов, что снижает или полностью устраняет магнитные свойства.

Магнитные поля. Изображения взяты из открытых источников
Поскольку сталь в основном состоит из железа, она часто наследует магнитные свойства, если только легирование или структурные изменения не нарушают расположение электронов. Однако магнетизм зависит не только от наличия железа, но и от кристаллической структуры:
• Объёмно-центрированная кубическая (ОЦК) структура атомов в ферритных и мартенситных сталях поддерживает магнетизм.
• Гранецентрированная кубическая (ГЦК) структура в аустенитных сталях препятствует магнитному выравниванию, что делает их преимущественно немагнитными
Например, углеродистая сталь с минимальным содержанием легирующих элементов сохраняет естественный ферромагнетизм железа, но нержавеющие стали с высоким содержанием хрома и никеля могут нарушить магнитное выравнивание.
Магнитные свойства материалов, включая металлы, определяют их поведение в магнитном поле. Некоторые металлы способны притягиваться к магниту или даже намагничиваться сами, в то время как другие остаются индифферентными к магнитным полям. Понимание этих свойств важно для множества промышленных, бытовых и научных применений.
К немагнитным металлам относятся те, которые не притягиваются к постоянным магнитам и не обладают способностью к остаточной намагниченности. К ним относятся как чистые металлы, так и многие их сплавы.
Среди наиболее распространенных немагнитных металлов можно выделить алюминий, медь, золото, серебро, цинк, титан, свинец, платину, олово, вольфрам, висмут, хром и марганец. Алюминий, золото и серебро часто упоминаются как классические примеры немагнитных металлов. Переходные металлы, такие как медь, серебро и золото, также относятся к немагнитным. Сплавы на основе этих металлов, например, латунь (сплав меди и цинка) и бронза (сплав меди и олова), также являются немагнитными. Структура алюминия, как и лития и магния, обусловливает его немагнитные свойства. Платина, свинец, висмут, хром и марганец также входят в список немагнитных металлов. Стоит отметить, что никель в определенных условиях может вести себя как немагнитный материал, хотя в чистом виде он является ферромагнетиком.

Люди давно задумались, как сделать сплав железа наиболее устойчивым к окружающей среде.
Применялись различные добавки. И в 20 веке изобрели коррозионное-стойкие сплавы которые стали называть нержавеющая сталь.
Марок нержавеющей стали существует довольно много. Разберем некоторые, наиболее популярные и ходовые.
Нержавеющая сталь — это не единый материал, а целое семейство сплавов на основе железа с добавлением хрома (минимум 10,5%) и других элементов, таких как никель, марганец и молибден, для улучшения коррозионной стойкости и механических свойств. Ключевой особенностью является то, что нержавеющая сталь не всегда не обладает магнитным полем; ее магнитные свойства напрямую зависят от ее микроструктуры и химического состава.
Микроструктура нержавеющей стали определяется соотношением различных фаз, главным образом аустенита, феррита и мартенсита. Именно наличие или отсутствие ферромагнитных фаз (феррита и мартенсита) определяет, будет ли сталь магнититься.

В американской системе обозначения марок сталей принято определять по AISI
Марка AISI 430. (ГОСТ 12Х17 )
Ферритная нержавеющая сталь. Этот сплав содержит хром и железо, и при объемно-центрированной кристаллической структуре феррита обладает магнитными свойствами. Ферритные марки стали обладают магнитными свойствами.
Ограничения: Низкая стойкость к кислотам и средам с высоким содержанием хлоридов. При высокой влажности и агрессивной среде — ржавеет.
Марка стали AISI 304 (ГОСТ 08Х18Н10)
Характеристики: Высокая коррозионная стойкость благодаря содержанию хрома (18%) и никеля (10%). Отличается хорошей свариваемостью, пластичностью и устойчивостью к окислению при температурах до 600°C. Не магнитится в отожженном состоянии. Классическим вариантом пищевой нержавейки является марка AISI 304. Это медицинская сталь с высокими гигиеническими свойствами, инертная и чистая (не выделяющая вредных примесей).
Преимущества: Отличное соотношение прочности и пластичности, стойкость к большинству кислот и агрессивных сред, легкость в обработке и формовке.
Ограничения: Не рекомендуется для использования в средах с высоким содержанием хлоридов (например, морская вода), так как возможны точечная коррозия и растрескивание под напряжением.
Применение: Используется в пищевой промышленности (емкости, столовые приборы, оборудование), медицине (хирургические инструменты, импланты), строительстве (фасады, перила, интерьерные элементы), а также в вентиляционных системах и машиностроении.
Марка стали AISI 316 (03Х17Н14М3)
Характеристики: Аустенитная нержавеющая сталь с повышенной коррозионной стойкостью за счёт содержания молибдена (~2-3%). Отличается высокой устойчивостью к воздействию кислот, хлоридов и морской воды. Не магнитится в отожжённом состоянии. Рабочая температура – до 650°C. Хорошо поддается сварке и механической обработке.
Преимущества: Отличная коррозионная стойкость даже в агрессивных средах (морская вода, химические реагенты), высокая термостойкость, хорошая прочность и долговечность.
Ограничения: Дороже, чем AISI 304. В условиях длительного воздействия высоких температур может образовываться карбидная коррозия.
Применение: Используется в морской и химической промышленности (трубопроводы, резервуары, насосы), медицине (хирургические инструменты, импланты), производстве оборудования для бассейнов, саун и термальных источников. Применяется в строительстве объектов с высокой влажностью и агрессивной средой, а также для изготовления воздуховодов и вентиляционных систем в химической промышленности.
Марка стали AISI 321 (ГОСТ 08Х18Н10Т)
Характеристики: Аустенитная нержавеющая сталь с добавлением титана (~0,5%), который предотвращает образование карбидов хрома и повышает стойкость к межкристаллитной коррозии. Добавление титана придает материалу повышенную прочность и пластичность, устойчивость к воздействию кислотных паров и стойкость к коррозии. Отличается высокой жаропрочностью и стабильностью структуры при температурах до 850°C. Не магнитится, хорошо сваривается и обрабатывается.
Преимущества: Отличная стойкость к окислению и термическому воздействию, устойчивость к межкристаллитной коррозии даже после сварки, высокая механическая прочность, хорошая свариваемость без необходимости последующей термообработки.
Ограничения: Не рекомендуется для использования в средах с высоким содержанием серы. При температурах выше 900°C возможно изменение структуры и потеря коррозионной стойкости.
Применение: Применяется в высокотемпературном оборудовании (трубы, камеры сгорания, печи), теплообменниках, авиационной и космической промышленности (детали двигателей, обшивка), химической аппаратуре и нефтегазовой отрасли (реакторы, резервуары, трубопроводы для агрессивных сред).
Марка стали AISI 201 (ГОСТ 12Х15Г9НД)
Характеристики: Аустенитная нержавеющая сталь, являющаяся экономичной альтернативой AISI 304 за счёт сниженного содержания никеля, который частично заменён марганцем (~5-7%). Обладает средней коррозионной стойкостью, хорошей формуемкостью и высокой прочностью. В отожжённом состоянии не магнитится, но после деформации может приобретать слабые магнитные свойства.
Преимущества: Низкая стоимость по сравнению с AISI 304, хорошая механическая прочность и пластичность, отличная обрабатываемость, устойчива к механическим повреждениям.
Ограничения: Уступает AISI 304 по коррозионной стойкости, особенно в агрессивных средах (морская вода, кислоты, высоковлажностные условия). Может подвергаться точечной коррозии при длительном контакте с хлоридами.
Применение: Используется в производстве интерьерных элементов (перила, панели, поручни), бытовой техники (корпуса холодильников, микроволновых печей), мебели (столешницы, каркасы стульев и столов), декоративных конструкций и отделки помещений. Применяется там, где важен внешний вид и прочность, но нет жёстких требований к коррозионной стойкости.

Все стали имеют одинаковый базовый состав: железо и углерод. Но нержавеющая сталь должна содержать не менее 10,5% хрома для образования защитной пленки оксида хрома, которая предотвращает дальнейшую поверхностную коррозию и препятствует ее распространению во внутреннюю структуру металла. В зависимости от марки его количество может доходить до 24%, кроме того, в состав могут быть включены дополнительные легирующие компоненты, такие как молибден, никель, титан, алюминий, медь, азот, фосфор или селен.
Существование нескольких марок нержавеющей стали затрудняет выбор, особенно когда названия и составы двух сплавов почти одинаковы. Это относится к наиболее распространенным маркам А2 и А4, где буква «А» указывает на принадлежность нержавейки к аустенитной группе (Austenitic), из которой производится 70% всех нержавеющих изделий.
Нержавеющая сталь А2 или А4
Химический состав сплавов А2 и А4 практически одинаков (18% хрома, 8% никеля, 0,08% углерода), за исключением одного легирующего компонента – молибдена, который добавлен в сталь А4 в количестве 2-3%. Что это дает? – Это повышает способность противостоять коррозии при воздействии химикатов, кислот, хлора, солевых растворов. Таким образом, крепеж из стали А4 лучше подходит для экстремальных условий окружающей среды, таких как плавательные бассейны, прибрежная зона, химические производства и т. д.
Европейские производители часто используют и другую маркировку стали 304 (А2) – 18/8 или 18/10. Цифры обозначают процентное содержание хрома и никеля в составе, что является более понятным для рядового покупателя. Маркировка 316 (А4) выглядит так: 18/8/3, где 3 – легирующая добавка молибдена.
Буква L означает «низкоуглеродистый».
Это вариант нержавеющей стали, содержащий меньше углерода. Сплав состоит из 0,02% углерода вместо 0,05%. Это не влияет на качество стали, но повышает ее стойкость при горячей сварке в среде TIG или MIG. Низкое содержание углерода в сплавах 304L, 316L помогает свести к минимуму/устранить выделение карбида в процессе сварки. Это позволяет использовать нержавеющую сталь 304L в состоянии «после сварки» даже в агрессивных средах.
Магнитная и немагнитная нержавеющая сталь.
Нержавеющие стали, проявляющие магнитные свойства в любой состоянии:
• Ферритные – марки 409, 430 и 439.
• Мартенситные – марки 410, 420, 440.
Группа нержавеющих сталей, которые НЕ являются магнитными в необработанном, отожженном состоянии, но изготовленные из них крепежные изделия методом холодной штамповки могут стать слегка магнитными:
• Аустенитные – марки 304 и 316.
Фактически весь нержавеющий крепеж поступающий из Китая и других стран, в той или иной степени является магнитным.  Изделия из нержавейки 304 (A2) более магнитны, чем из 316 (A4). Холодное штампование и нарезание резьбы приводят к тому, что болты из нержавеющей стали становятся слабомагнитными, некоторые – в большей степени, некоторые – в меньшей, в зависимости от размера детали и скорости процесса обработки.
Пищевая нержавеющая сталь.
Пищевая нержавеющая сталь – это сталь, которая отвечает всем критериям, чтобы считаться термостойкой и безопасной для приготовления, приёма и хранения пищевых продуктов. Наиболее распространенной пищевой нержавейкой является тип А2 и ее эквиваленты AISI 304, 18/8 и 18/10.
Нержавеющие стали также можно разделить на 3 типа:
• Хромистые 400.
• Хромоникелевые и хромоникелевые-молибденовые 300.
• Хром-никель-марганец 200
Итак, мо можем сказать, что магнитyыми свойствами обладают низко легированные и ферритные стали и сплавы. Они могут накапливать и поддерживать магнитные свойства при воздействии на них магнитным полем.
Антикоррозионно стойкие сплавы, в том числе аустенитные нержавеющие сплавы, такие как А2, А3, А4, А5 не поддерживают магнитных свойств. Зато они обладают стойкbми свойствами к воздействию повышенной влажности, кислотным испарениям и воздействию океана.