Materiały ferromagnetyczne

 

Materiały ferromagnetyczne są silnie przyciągane przez magnesy. Które metale są magnetyczne? I dlaczego stal nierdzewna czasami reaguje na magnesy, a czasami nie?

Jakie materiały przyciąga magnes?

Spośród wszystkich materiałów magnetycznych to materiały ferromagnetyczne są w praktyce najważniejsze. Są to materiały, które reagują na pole magnetyczne wystarczająco silnie, aby zostać przyciągnięte przez magnes. Niektóre materiały ferromagnetyczne mogą być ponadto same wykorzystywane jako materiały magnetyczne. Najbardziej znane metale ferromagnetyczne to:

  • żelazo;
  • nikiel;
  • kobalt.

Magnetycznych jest także wiele stopów, zwłaszcza gdy zawierają żelazo, nikiel lub kobalt. Dlatego wiele gatunków stali silnie reaguje na magnes.

File
Magnes nie przyciąga wszystkich metalowych przedmiotów

Co oznacza ferromagnetyczny?

Materiał jest ferromagnetyczny, gdy momenty magnetyczne w materiale mogą się uporządkować. Powoduje to silne przyciąganie przez zewnętrzne pole magnetyczne. W niektórych materiałach część tego uporządkowania magnetycznego pozostaje po usunięciu zewnętrznego pola magnetycznego. Materiał jest wtedy namagnesowany.

Mówiąc prosto: materiał ferromagnetyczny jest wyraźnie przyciągany przez magnes. To reakcja, którą obserwujemy, gdy magnes przyczepia się do stali.

Magnetyczny czy ferromagnetyczny?

W praktyce słowa „magnetyczny” i „ferromagnetyczny” są często używane zamiennie. Technicznie istnieje jednak różnica. Obiekt jest magnetyczny, gdy sam zachowuje się jak magnes, z biegunem północnym i południowym. Obiekt jest ferromagnetyczny, gdy jest silnie przyciągany przez magnes. Płyta stalowa jest więc zwykle ferromagnetyczna. Dopiero po namagnesowaniu zachowuje się sama jak magnes.

W zastosowaniach przemysłowych najważniejsza jest przede wszystkim właściwość ferromagnetyczna: czy materiał jest przyciągany wystarczająco silnie, aby można go było zatrzymać, oddzielić lub wykryć?

File
Ferromagnetyczna płyta stalowa sama może stać się lekko magnetyczna

Które metale są magnetyczne?

MateriałReakcja na magnesWyjaśnienie
ŻelazoSilnie magnetyczneJeden z najważniejszych metali ferromagnetycznych.
StalZwykle silnie magnetycznaZawiera żelazo; reakcja zależy od składu i struktury.
ŻeliwoZwykle magnetyczneMateriał zawierający żelazo o wyraźnej reakcji magnetycznej.
NikielMagnetycznyJeden ze znanych pierwiastków ferromagnetycznych.
KobaltMagnetycznyFerromagnetyczny, stosowany w niektórych materiałach magnetycznych.
Ferrytyczna stal nierdzewnaMagnetycznaNa przykład niektóre gatunki z serii 400.
Martenzytyczna stal nierdzewnaMagnetycznaWystępuje m.in. w nożach, wałach i częściach zużywalnych.
Austenityczna stal nierdzewnaZwykle niemagnetyczna lub słabo magnetycznaNa przykład 304 i 316; może stać się lokalnie lekko magnetyczna w wyniku odkształcenia.
Neodym-żelazo-borMagnetyczny twardyStosowany jako silny materiał na magnesy trwałe.
Samar-kobaltMagnetyczny twardyMateriał na magnesy trwałe, odpowiedni także do wyższych temperatur.
FerrytMagnetyczny twardyPowszechnie stosowany ceramiczny materiał magnetyczny.
AlnicoMagnetyczny twardyStop na bazie aluminium, niklu i kobaltu.

 

Jakie materiały nie są przyciągane lub są przyciągane bardzo słabo?

Wiele metali nie jest w praktyce magnetycznych. Standardowy magnes się do nich nie przyczepi.

MateriałReakcja na zwykły magnesWyjaśnienie
AluminiumNiemagnetycznaNie jest przyciągana przez zwykły magnes.
MiedźNiemagnetycznaNie jest przyciągana przez zwykły magnes.
MosiądzNiemagnetycznyStop miedzi i cynku.
BrązNiemagnetycznyStop na bazie miedzi, często z cyną.
ZłotoNiemagnetyczneTest magnesem może pomóc wykryć większe zanieczyszczenia lub podróbki.
SrebroNiemagnetyczneNie jest przyciągane przez zwykły magnes.
OłówNiemagnetycznyBrak praktycznej siły przyciągania.
CynkNiemagnetycznyBrak praktycznej siły przyciągania.
CynaNiemagnetycznaBrak praktycznej siły przyciągania.
TytanNiemagnetycznyCzęsto stosowany tam, gdzie wymagana jest niska podatność na oddziaływanie magnetyczne.
Tworzywa sztuczne, drewno, szkło, gumaNiemagnetyczneIstotne magnetycznie tylko wtedy, gdy zawierają materiał ferromagnetyczny lub znajduje się on za nimi.

Większość wymienionych powyżej metali można jednak separować za pomocą prądów wirowych w zastosowaniach recyklingowych.

Dlaczego nie każdy metal jest magnetyczny?

Magnetyzm zależy od wewnętrznej struktury materiału. W materiałach ferromagnetycznych niewielkie obszary magnetyczne, zwane domenami, mogą ustawiać się w tym samym kierunku. Wzmacniają się wtedy wzajemnie, co powoduje silną reakcję na pole magnetyczne.

W materiałach nieferromagnetycznych tak się nie dzieje albo zachodzi to bardzo słabo. Dlatego aluminium, miedź czy mosiądz nie są widocznie przyciągane przez zwykły magnes, mimo że są metalami.

Materiały magnetycznie miękkie i twarde

Materiały ferromagnetyczne często dzieli się na materiały magnetycznie miękkie i materiały magnetycznie twarde.

Materiały magnetycznie miękkie

Materiały magnetycznie miękkie łatwo się magnesują, ale w dużej mierze tracą magnetyzm po zaniku pola magnetycznego. Przykładem jest żelazo wyżarzane. Materiały te są przydatne w obwodach magnetycznych, elektromagnesach i zastosowaniach, w których pole magnetyczne ma działać tylko tymczasowo. W separacji magnetycznej cząstki żelaza są przyciągane przez zewnętrzne pole magnetyczne, bez konieczności trwałego silnego namagnesowania samych cząstek.

File
Pręt magnetyczny wychwytuje drobne cząstki żelaza z produktu

Materiały magnetycznie twarde

Materiały magnetycznie twarde pozostają magnetyczne po namagnesowaniu. Stosuje się je do produkcji magnesów trwałych. Przykłady to ferryt, neodym-żelazo-bor, samar-kobalt i alnico. W przypadku magnesów trwałych ważne jest, aby materiał zachował namagnesowanie także pod wpływem temperatury, zewnętrznych pól magnetycznych, obciążenia i warunków pracy.

Czy stal nierdzewna jest magnetyczna?

Stal nierdzewna może być magnetyczna, ale nie musi. Reakcja magnetyczna zależy przede wszystkim od struktury stali nierdzewnej.

Ferrytyczne i martenzytyczne stale nierdzewne są zazwyczaj magnetyczne. Austenityczne stale nierdzewne, takie jak 304 i 316, w stanie wyżarzonym są zwykle niemagnetyczne lub tylko słabo magnetyczne. Formowanie na zimno, gięcie, spawanie lub obróbka mechaniczna mogą sprawić, że austenityczna stal nierdzewna stanie się lokalnie lekko magnetyczna.
Test magnesem jest więc przydatny jako szybka wskazówka, ale nie jako pełna identyfikacja materiału.

File
Gięcie może sprawić, że stal nierdzewna stanie się lekko magnetyczna

 

Co to oznacza dla separacji magnetycznej?

W separacji magnetycznej pytanie nie dotyczy tylko tego, czy materiał jest magnetyczny. O tym, czy cząstka zostanie rzeczywiście wychwycona, decydują również inne czynniki:

  • skład materiału;
  • wielkość i kształt cząstki;
  • odległość od magnesu;
  • siła i gradient pola magnetycznego;
  • warstwa produktu i prędkość przepływu;
  • temperatura;
  • wilgoć, tłuszcz lub przywieranie produktu;
  • konstrukcja separatora magnetycznego.

Cząstki ferromagnetyczne, takie jak żelazo, stal i wióry, można skutecznie wychwycić przy użyciu właściwego separatora magnetycznego. Metale słabo magnetyczne lub nieferromagnetyczne wymagają innego podejścia. W recyklingu aluminium i miedź są na przykład często separowane za pomocą separatorów wiroprądowych.