Ist Stahl magnetisch? Die magnetischen Eigenschaften von Metall verstehen

Stahl zählt aufgrund seiner Festigkeit, Vielseitigkeit und Haltbarkeit weltweit zu den bevorzugten Werkstoffen. Seine magnetischen Eigenschaften sind jedoch nicht einheitlich: Verschiedene Stahlsorten verhalten sich unterschiedlich. Die Frage, warum manche Stahlsorten magnetisch sind und andere nicht, hängt mit ihrer jeweiligen Zusammensetzung zusammen. Für Branchen wie das Bauwesen, die Fertigung, die Elektronik und sogar die Medizintechnik ist es wichtig, die magnetischen Phänomene bei Stahl und sein Verhalten zu verstehen. In diesem Beitrag erläutern wir die Grundlagen des Magnetismus, wovon die magnetischen Eigenschaften von Stahl abhängen und welche Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten er hat. Dieser Leitfaden erklärt viele interessante Aspekte von Stahl und Magnetismus – für Ingenieure, Designer und alle, die sich privat mit Metall beschäftigen.

Was macht Stahl magnetisch?

Stahl ist aufgrund seines Eisenanteils magnetisch, denn auch Eisen selbst ist ein magnetisches Material. Eisen besitzt ungepaarte Elektronen, deren Spins sich an der Richtung des Magnetfelds ausrichten. Dadurch entsteht Magnetismus, der auch zu den magnetischen Eigenschaften von Stahl beiträgt. Zudem begünstigt die Kristallstruktur von Stahl, insbesondere die ferritische Struktur, die Ausrichtung der magnetischen Domänen. Dadurch kann Stahl Magnetismus annehmen und sich magnetisch ausrichten. Der Magnetismus von Stahl ist jedoch nicht immer gleich stark, sondern hängt von seiner Zusammensetzung und Wärmebehandlung ab. Edelstahl mit besonders hohem Chrom- und Nickelanteil ist beispielsweise nicht magnetisch, da seine Struktur austenitisch ist.

Ferromagnetismus und Stahl

Die chemische Zusammensetzung und das Gefüge von Stahl beeinflussen seine magnetischen Eigenschaften maßgeblich. Magnetische Stähle haben häufig ein ferritisches oder martensitisches Gefüge. Sie enthalten Eisen, dessen atomare Spins geordnet ausgerichtet sind. Austenitische Edelstähle sind dagegen aufgrund ihres hohen Chrom- und Nickelanteils nicht magnetisch. Auch Verfahren wie die Wärmebehandlung und die Kaltumformung verändern die magnetischen Eigenschaften von Stahl, indem sie die innere Anordnung seiner Bestandteile und damit auch die Atomstruktur beeinflussen. Das gilt besonders für die Ferritphase.

Die Rolle von Legierungselementen

Legierungselemente beeinflussen die mechanischen Eigenschaften von Stahl maßgeblich, insbesondere seine verschiedenen Materialmerkmale. Durch die Zugabe von Kohlenstoff, Mangan, Chrom und Nickel lassen sich bestimmte Eigenschaften gezielt verändern. Wie bei den meisten Metallen steigen Härte und Festigkeit von Stahl mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt. Mangan erhöht die Härte und Verschleißbeständigkeit von Stahl. Chrom ist entscheidend für eine höhere Korrosionsbeständigkeit und bildet die schützende Oxidschicht in Edelstahl. Nickel erhöht Festigkeit und Zähigkeit und verbessert die Korrosionsbeständigkeit, besonders bei niedrigeren Temperaturen. Durch die sorgfältige Auswahl und Kombination von Legierungselementen lässt sich Stahl an unterschiedliche Leistungsanforderungen anpassen.

Wie Magnetfelder Stahl beeinflussen

Magnetfelder verändern die innere Struktur und die magnetischen Eigenschaften von Stahl. Stahl ist ein magnetisches Metall und kann magnetisiert werden, wenn er einem Magnetfeld ausgesetzt ist. Das Magnetfeld kann die Domänenstrukturen, also die Magnetisierungsbereiche im Stahl, ausrichten. Wie stark Stahl auf das Phänomen reagiert, hängt von seiner Struktur und der Stärke des einwirkenden Magnetfelds ab. Eine anhaltende Magnetisierung oder starke Magnetfelder können die Funktion des Stahls verändern, insbesondere bei längerer Einwirkung. Ein Beispiel dafür ist der permanente Restmagnetismus, der nach dem Entfernen des magnetisierenden Felds zurückbleibt. Diese Aspekte sind bei dynamischen Anwendungen entscheidend, bei denen das Material Magnetfeldern ausgesetzt ist.

Sind alle Edelstahlsorten magnetisch?

Austenitischer Edelstahl und Magnetismus

Austenitische Edelstähle wie die Güten 304 und 316 sind aufgrund ihrer kubisch flächenzentrierten (FCC) Kristallstruktur nicht magnetisch. Diese Struktur ermöglicht keine Ausrichtung der magnetischen Domänen. Unter bestimmten Bedingungen können sich die magnetischen Eigenschaften austenitischer Edelstähle jedoch verändern. Durch Kaltumformung kann sich beispielsweise ein Teil des austenitischen Gefüges in Martensit umwandeln. Diese Form ermöglicht eine Härtung des Stahls und macht ihn magnetisch. Dieser Vorgang wird als verformungsinduzierte Martensitbildung bezeichnet. In solchen Fällen kann Edelstahl 304 nach starker Kaltumformung oder dem Schweißen seine Eigenschaften ändern und schwach magnetisch werden. Die erhöhte Magnetisierbarkeit geht hier auf Gefügeänderungen infolge mechanischer oder thermischer Spannung zurück. Untersuchungen zeigen, dass die Magnetisierbarkeit kaltumgeformten Edelstahls gemessen an der Permeabilität gering ist. Im geglühten Zustand liegt die relative magnetische Permeabilität austenitischer Edelstähle bei nahezu 1.0. Nach einer Verarbeitung, bei der Martensit entsteht, dürfte dieser Wert jedoch leicht ansteigen. Nickel und Chrom sind für austenitische Edelstähle wichtig, weil sie die FCC-Struktur stabilisieren und die magnetische Reaktion verringern. Diese Aspekte sind für Ingenieure und Werkstoffwissenschaftler relevant, wenn sie Werkstoffe für Anwendungen mit strengen Anforderungen an die Nichtmagnetisierbarkeit auswählen.

Magnetisches Verhalten ferritischer und martensitischer Edelstähle

Die magnetischen Eigenschaften ferritischer und martensitischer Edelstähle sind deutlich ausgeprägter als die austenitischer Güten. Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden Edelstahlgüten liegt in ihrer Kristallstruktur. Ferritische Edelstähle besitzen eine kubisch raumzentrierte (BCC) Kristallstruktur und sind von Natur aus ferrimagnetisch. Daher lässt sich die Legierung leicht magnetisieren. Entgegen der weit verbreiteten Annahme sind auch martensitische Edelstähle magnetisch. Ihr Magnetismus beruht auf der BCC- oder der tetragonal raumzentrierten (BCT) Struktur, die sich während der Wärmebehandlung bildet. Aufgrund ihrer Reaktion auf Magnetfelder eignen sich diese Stähle für Anwendungen, bei denen magnetische Eigenschaften erforderlich sind. Bei Konstruktionen, die geringen Magnetfeldern ausgesetzt sind, muss jedoch auf die geringe magnetische Beeinflussung geachtet werden. Unabhängig von der Güte hängen diese Eigenschaften von den Legierungsbestandteilen und der angewandten Wärmebehandlung ab.

Warum manche Edelstähle nicht magnetisch sind

Dass manche Edelstähle nicht magnetisch sind, liegt vor allem an ihrer Kristallstruktur. Austenitische Edelstähle der Güten 304 und 316 bestehen beispielsweise überwiegend aus einer kubisch flächenzentrierten (FCC) Struktur, die keinen Ferromagnetismus zulässt. Magnetismus bleibt aus, weil dem FCC-Gitter der Atome ungepaarte Elektronen fehlen, die bei anderen Werkstoffen das magnetische Verhalten verursachen. Auch die chemische Zusammensetzung von Edelstahl beeinflusst seine magnetische Reaktion erheblich. Ein hoher Nickel- und Chromanteil stabilisiert beispielsweise die FCC-Struktur austenitischer Edelstähle und verhindert die Bildung ferromagnetischer Phasen. Diese Elemente wirken dem Magnetismus entgegen, der bei ferritischen oder martensitischen Edelstählen mit kubisch raumzentrierter (BCC) oder tetragonal raumzentrierter (BCT) Struktur auftritt. Äußere Einflüsse können bei austenitischen Edelstählen jedoch magnetische Eigenschaften hervorrufen. Eine starke Kaltumformung über einen längeren Zeitraum oder eine starke Verformung während der Fertigung kann die FCC-Struktur in eine magnetische, martensitische Phase umwandeln. Diese als verformungsinduzierter Martensit bekannte Veränderung tritt bei niedriglegierten Güten wie Edelstahl 301 tendenziell häufiger auf. Bei Güten wie 316 ist sie aufgrund der stabilisierenden Wirkung von Molybdän weniger ausgeprägt. Außerdem kann sich die magnetische Suszeptibilität von Edelstahl je nach Zusammensetzung und Verarbeitung der Legierung verändern. Untersuchungen zeigen für Edelstahl 304 eine anfängliche magnetische Suszeptibilität zwischen 1.05 und 1.15. Edelstahl 316 mit seinem höheren Molybdängehalt weist deutlich niedrigere Werte auf, häufig um 1.01. Diese Unterschiede sind bei der Auswahl einer Edelstahlgüte für Anwendungen wichtig, bei denen die magnetischen Eigenschaften eine zentrale Rolle spielen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die fehlende Magnetisierbarkeit mancher Edelstahlsorten auf ihre Atomstruktur und die Legierungsbestandteile zurückzuführen ist. Auch äußere Faktoren wie mechanische Erwärmung können den Magnetismus beeinflussen. Das zeigt, wie wichtig eine sorgfältige technische Auslegung ist.

Wie wirken Magnete mit Stahl zusammen?

Wie die Stahlgüte den Magnetismus beeinflusst

Die Zusammensetzung und das Gefüge von Stahl bestimmen seine magnetischen Eigenschaften. Zu den magnetischen Stahlsorten zählt Kohlenstoffstahl, der einen höheren Eisenanteil, ein ferritisches Gefüge und ausgeprägte magnetische Eigenschaften aufweist. Austenitische Edelstähle wie die Werkstoffe der 300er-Reihe sind hingegen meist nicht magnetisch, da ihre Kristallstruktur die Ausrichtung magnetischer Domänen behindert. Durch Kaltumformung oder mechanische Verformung können diese Werkstoffe teilweise magnetisch werden. Wer Stahl für Magnetanwendungen auswählt, sollte diese Eigenschaften berücksichtigen.

Äußere Magnetfelder und Stahl

Wie Stahl auf äußere Magnetfelder reagiert, hängt stark von seiner Zusammensetzung und inneren Struktur ab. Ferritische und martensitische Stähle haben einen höheren Eisenanteil. Daher werden sie aufgrund der Ausrichtung ihrer magnetischen Domänen stark von Magnetfeldern angezogen. Austenitische Edelstähle wie die Werkstoffe der 300er-Reihe sind dagegen überwiegend nicht magnetisch und reagieren nur schwach auf Magnetfelder. Durch mechanische Verformung oder Kaltumformung kann bei austenitischen Stählen jedoch lokal Magnetismus entstehen. Wenn Stahl Magnetfeldern ausgesetzt ist, eignet sich vollständig austenitischer Edelstahl besser, da er eine geringere magnetische Permeabilität aufweist. So lassen sich durch Magnetfelder verursachte Störungen verringern.

Magnetische Permeabilität verschiedener Stahlsorten

Die magnetische Permeabilität verschiedener Stahlsorten hängt von ihrer Zusammensetzung und ihrem Gefüge ab. Ferritische und martensitische Edelstähle haben im Allgemeinen eine höhere magnetische Permeabilität und reagieren daher stärker auf Magnetfelder. Vollständig austenitische Edelstähle wie Güte 316L haben dagegen eine sehr niedrige magnetische Permeabilität. Dadurch eignen sie sich für Anwendungen, bei denen magnetische Störungen möglichst gering sein müssen. In magnetisch empfindlichen Umgebungen werden nach der Verarbeitung austenitische Güten bevorzugt, die vollständig nicht magnetisch sind, um eine maximale Effizienz zu erzielen.

Kann Stahl nicht magnetisch werden?

Stahl entmagnetisieren

Beim Entmagnetisieren von Stahl wird seine bestehende magnetische Ausrichtung gestört. Das lässt sich auf drei Arten erreichen. Erstens lassen sich alle magnetischen Eigenschaften aufheben, indem der Stahl über seine Curie-Temperatur hinaus erhitzt wird. Dabei wird seine innere Struktur zurückgesetzt. Zweitens kann ein Wechselfeld den Restmagnetismus schrittweise verringern, indem es die Domänen neu ausrichtet. Die dritte Methode besteht darin, den Stahl zu hämmern oder zu biegen. Dadurch verändert sich die Ausrichtung der magnetischen Domänen, allerdings ist dieses Verfahren nicht besonders genau. Diese Methoden sind zwar wirksam, müssen aber je nach Anwendung, Werkstoff und dessen mechanischen Eigenschaften angepasst werden.

Faktoren, die zum Verlust des Magnetismus in Stahl führen

Zu den Hauptursachen für den Verlust des Magnetismus in Stahl zählen:

• Wärmeeinwirkung: Hohe Temperaturen können die innere Ordnung der magnetischen Domänen in Stahl stören und so zu einem teilweisen oder vollständigen Verlust des Magnetismus führen. Das geschieht häufig, wenn das Material über die Curie-Temperatur erhitzt wird.
• Mechanische Einwirkung: Stöße, etwa durch Fallenlassen oder Biegen des Materials, erhöhen die mechanische Spannung und verschieben die inneren magnetischen Domänen. Dadurch geht Magnetismus verloren.
• Langanhaltende Wechselfelder: Werden Stahl über längere Zeit wiederholt wechselnde Magnetfelder ausgesetzt, können sich die Domänen ungeordnet ausrichten und das Material seinen Magnetismus verlieren.
• Korrosion: Veränderungen der Umgebungsbedingungen wie Oxidation führen zur Korrosion der Materialstruktur und verringern ihre Fähigkeit, eine magnetische Struktur hervorzurufen.

Diese Aspekte sollten bei der Auslegung von Geräten mit Permanentmagneten neben allen weiteren Anforderungen berücksichtigt werden.

Anwendungen von magnetischem und nicht magnetischem Edelstahl

Branchen, die magnetischen Edelstahl verwenden

Magnetischer Edelstahl wird in Branchen breit eingesetzt, in denen seine Korrosionsbeständigkeit und sein Magnetismus von Nutzen sind. Zu den wichtigsten Bereichen zählen:

• Automobilindustrie: Verwendung in Bauteilen wie Sensoren, Einspritzdüsen und Abgasanlagen, da das Material fest und magnetisch ist.
• Elektronik: Wichtig für Transformatoren, Solenoide und magnetische Speichermedien.
• Haushaltsgeräte: Zu finden in magnetischen Trommeln von Waschmaschinen, Kühlgeräten und Küchenutensilien, bei denen Festigkeit und Magnetismus nützlich sind.
• Bauwesen: Verwendung in Architektur und Verbindungselementen, bei denen Festigkeit und Magnetismus gefragt sind.

All diese Branchen verwenden magnetischen Edelstahl wegen seiner praktischen Eigenschaften, Zuverlässigkeit und Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Umgebungen.

Vorteile nicht magnetischer Metalle in der Technik

Nicht magnetische Metalle sind zwar legal, erfordern für den Einsatz in der Technik aber stabile Magnetfelder. Ihre nicht magnetischen Eigenschaften machen sie für präzise elektronische Geräte, MRT-Geräte und moderne Halbleiterbauteile in anderen empfindlichen elektronischen Geräten interessant. Außerdem werden diese Metalle häufig in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Militärtechnik eingesetzt, da nicht magnetische Werkstoffe dort dauerhaft kritischen Betriebsbedingungen ausgesetzt sind, ohne dass ihre Zuverlässigkeit beeinträchtigt wird. Auch in anspruchsvollen Umgebungen eignen sich nicht magnetische Werkstoffe, da sie verschleiß- und korrosionsbeständig sind. Damit leisten diese Metalle einen wesentlichen Beitrag zur heutigen technologischen Entwicklung.

Häufig gestellte Fragen (FAQs)

F: Ist Stahl magnetisch?

A: Stahl ist magnetisch, wobei dies von der jeweiligen Stahlsorte abhängt. Bestimmte Stahlsorten wie ferromagnetischer Stahl sind aufgrund ihres Eisengehalts und ihrer Kristallstruktur stark magnetisch.

F: Warum sind manche Stahlsorten wie 304 und 316 nicht magnetisch?

A: Edelstahl 304 und 316 sind aufgrund ihres hohen Chrom- und Nickelgehalts nicht magnetisch. Diese beiden Elemente begünstigen eine austenitische Kristallstruktur, in der sich die magnetischen Momente nicht ausrichten. Daher bleiben diese Stähle nicht magnetisch oder sind höchstens schwach magnetisch.

F: Kann Edelstahl 304 magnetisch werden?

A: Edelstahl 304 kann durch Verfahren wie Kaltumformung magnetisch werden. Solche Verfahren verändern das Gefüge und das Kristallgitter des Materials, sodass es magnetisch werden kann.

F: Was ist ein ferromagnetisches Metall?

A: Ferromagnetische Metalle sind Werkstoffe, die sich stark magnetisieren lassen und als Permanentmagnete dienen können. Sie enthalten ungepaarte Elektronen, deren Spins parallel ausgerichtet sind und dadurch ein starkes Magnetfeld erzeugen.

F: Wie beeinflussen Nickel und Chrom den Magnetismus von Stahl?

A: Nickel und Chrom beeinflussen die Kristallstruktur von Stahl. Nickel stabilisiert die austenitische Struktur, die im Allgemeinen nicht magnetisch ist. Chrom verbessert die Korrosionsbeständigkeit, trägt aber nicht zum Magnetismus von Stahl bei.

F: Welchen Beitrag leisten ungepaarte Elektronen zur Magnetisierung?

A: Ungepaarte Elektronen sind für die Magnetisierung wichtig. Sie können sich so drehen, dass sie sich in einer Domäne verbinden und dem Material magnetische Eigenschaften verleihen. Das tritt bei metallischen Elementen wie Eisen auf, deren Elektronen sich ausrichten können und die dadurch ferromagnetisch werden.

F: Wird Stahl als eisenhaltig eingestuft?

A: Stahl enthält immer Eisen, da es sein Hauptbestandteil ist. Seine Festigkeit und sein Magnetismus werden dadurch bestimmt. Der Eisenanteil ermöglicht es, Stahl unter bestimmten Bedingungen zu magnetisieren.

F: Was ist nicht magnetischer Stahl?

A: Der Hauptunterschied liegt in der Anordnung einiger Legierungsbestandteile innerhalb der Kristallstruktur. Magnetischer Stahl, manchmal auch als ferromagnetischer Stahl bezeichnet, besteht aus Legierungen, deren Struktur eine geeignete Überlagerung der magnetischen Momente ermöglicht. Nicht magnetische austenitische Edelstähle lassen aufgrund ihres Gitters keine solche Überlagerung zu.

F: Wie wirkt sich Kaltumformung auf den Magnetismus von Stahl aus?

A: Kaltumformung kann die magnetischen Eigenschaften von Stahl verstärken, da sie seine Kristallstruktur von austenitisch in martensitisch oder ferritisch umwandeln kann. Der Effekt beruht auf einem niedrigeren Energiezustand und einer höheren Stabilität der magnetischen Momente im Stahl, wodurch sie sich besser ausrichten können.

F: Welche anderen Metalle wie Aluminium sind nicht magnetisch?

A: Zu den nicht magnetischen Metallen zählen Aluminium, Kupfer und Zink. Diese Metalle besitzen keine ungepaarten Elektronen, die als Grundlage für die Erzeugung eines Magnetfelds dienen. Deshalb gelten sie als nicht magnetische Stoffe.

Quellen

1. Spannungs- und temperaturabhängige vektorielle magnetische Eigenschaften von Elektroblech (Zhang et al., 2022, S. 980-990)

• Wichtigste Ergebnisse:
  • Die vorgeschlagene Messmethode wird anhand der vektoriellen magnetischen Eigenschaften von kornorientierten und nicht kornorientierten Elektroblechen (ESS) bei verschiedenen Temperaturen und angelegten Spannungen überprüft.
  • Das Modell schlägt eine Messmethode vor, die die Wechselwirkung zwischen Temperatur und Spannung berücksichtigt.
• Methodik:
  • Im Messbereich der Probe befinden sich auf der horizontalen Auflage des vertikalen orthogonalen Doppel-U-Jochs zwei rechteckige Magnete mit entgegengesetzten Öffnungen. Sie erzeugen eine gleichmäßige Verteilung des Magnetfelds.
  • Die vektorielle magnetische Flussdichte B und die magnetische Feldstärke H werden mithilfe der B-Sonde und der Doppelverbund-H-Spulentechnik erfasst.
  • Mit einem Linearantrieb wird entlang der Walz- und Querrichtung der Probe Zug- oder Druckspannung aufgebracht.
  • Der Temperaturregler ermöglicht zusammen mit keramischen Heizmatten Messungen bei variablen Temperaturen.

2. Untersuchung und Anwendung der magnetischen Eigenschaften ultradünner kornorientierter Siliziumstahlbleche unter gekoppelten multiphysikalischen Feldern (Li et al., 2022)

• Wichtigste Ergebnisse:
  • Bei kornorientiertem Siliziumstahl sind die magnetischen Eigenschaften im ausgewählten Bereich innerhalb eines Magnetisierungsabweichungswinkels von 30 30 Grad im Vergleich zu nicht kornorientiertem Siliziumstahl am besten.
  • Kornorientierter Siliziumstahl verliert seine magnetischen Eigenschaften, wenn die Temperatur der ungleichmäßigen äußeren Erwärmung steigt. Nicht gleichmäßig kornorientierter Siliziumstahl verhält sich anders.
  • Kornorientierter Siliziumstahl weist bei einer Spannung von 30 MPa relativ optimale magnetische Eigenschaften auf.
  • Die Verwendung von kornorientiertem Siliziumstahl in den Innenteilen von Elektrofahrzeugen (IPM) erhöht die magnetische Flussdichte der Statorzähne um 2,2 %, das Motordrehmoment um 2,18 % und den Spitzenwirkungsgrad um 1 %. Dadurch steigt die gravimetrische Leistung im Stillstand.
• Methodik:
  • Die magnetischen Eigenschaften von kornorientiertem Siliziumstahl wurden unter verschiedenen Bedingungen mit einem Epstein-Rahmen und selbst entwickelten Geräten für multiphysikalische Felder untersucht.
  • Das Modell diente der Untersuchung des Einsatzes von kornorientiertem Siliziumstahl in IPM für Elektrofahrzeuge mithilfe eines präzisionsorientierten Siliziumstahl-Motormodells.

3. Mehrstufiges Kreuzwalzen von UNS S32101-Stahl: Gefüge, Textur und magnetische Eigenschaften (Dandekar et al., 2021, S. 2916–2929)  

• Wichtigste Ergebnisse:
  • UNS S32101-Stahl weist dank der Verfeinerung von Gefüge und Textur durch mehrstufiges Kreuzwalzen verbesserte magnetische Eigenschaften auf.
  • Aufgrund der verwendeten Schneidverfahren und der Materialeigenschaften sind die magnetischen Eigenschaften weniger günstig.
  • Drahterodieren hat nur geringe Auswirkungen auf die magnetischen Eigenschaften. Laserschneiden verringert jedoch die relative magnetische Permeabilität in größeren Tiefen der Stahlbänder.
• Methodik:
  • Nach dem mehrstufigen Kreuzwalzen haben wir Gefüge, Textur und magnetische Eigenschaften von UNS S32101-Stahlproben charakterisiert und gemessen.
  • Magnetische Messungen in der Nähe der Schnittkanten wurden mit einem mobilen B-H-Messsystem durchgeführt.