ทำไมแม่เหล็ก…ถึงไม่ทำงานกับสแตนเลส?

สแตนเลส หรือ เหล็กกล้าไร้สนิม เป็นโลหะผสมที่มีธาตุเหล็กเป็นส่วนประกอบหลักที่รู้จักกันทั่วไปว่ามีความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีเยี่ยม ซึ่งส่วนใหญ่เกิดจากความเข้มข้นของโครเมียมของเหล็ก สแตนเลสมีหลายประเภท สองประเภทหลัก ๆ คือ ออสเทนนิติก (Austenitic) และเฟอร์ริติก (Ferritic) โดยแต่ละประเภทจะมีการจัดเรียงอะตอมที่แตกต่างกัน จากความแตกต่างนี้ สแตนเลสประเภทเฟอร์ริติกจึงมีปฏิกิริยากับแม่เหล็ก ในขณะที่สแตนเลสประเภทออสเทนนิติกไม่มีปฏิกิริยากับแม่เหล็ก สาเหตุที่เฟอร์ริติกมีแรงดึงดูดกับแม่เหล็กเกิดจากปัจจัยสองประการ ได้แก่ ธาตุเหล็กที่มีความเข้มข้นสูง และโครงสร้างพื้นฐานของตัวสแตนเลส

อะตอมของโลหะในสแตนเลสออสเทนนิติกถูกจัดเรียงไว้ในลักษณะ Face – Centered Cubic (FCC) โดยกลุ่มเซลล์ที่จับตัวเป็นผลึกของ FCC จะประกอบด้วยลูกบาศก์ที่มีอะตอมอยู่ที่มุมทั้งแปดของลูกบาศก์แต่ละด้าน และจะมีอะตอมหนึ่งตัวที่ตรงกลางของแต่ละด้านทั้งหกด้าน อย่างไรก็ตาม ในสแตนเลสเฟอร์ริติก อะตอมของโลหะจะอยู่บนโครงตาข่ายที่มีหน่วยเซลล์ที่มีลักษณะ Body – Centered Cubic (BCC) โดยกลุ่มเซลล์ที่จับตัวเป็นผลึกของ BBC เป็นลูกบาศก์ที่มีอะตอมหนึ่งอะตอมที่แต่ละมุมทั้งแปดและอะตอมเดียวที่จุดศูนย์กลางทางเรขาคณิตของลูกบาศก์ การผสมสแตนเลสกับองค์ประกอบต่าง ๆ เช่น นิกเกิล แมงกานีส คาร์บอน และไนโตรเจน จะเพิ่มโอกาสที่โลหะผสมจะมีโครงสร้างผลึก FCC ที่อุณหภูมิห้อง และองค์ประกอบ โครเมียม โมลิบดีนัม และซิลิกอนทำให้มีโอกาสมากขึ้นที่โลหะผสมจะแสดงโครงสร้างผลึก BCC ที่อุณหภูมิห้อง

สแตนเลสที่ได้รับความนิยมมากที่สุดคือ สแตนเลส 304 ซึ่งมีโครเมียมประมาณ 18% และนิกเกิล 8% ณ อุณหภูมิห้อง โครงสร้างผลึกที่เสถียรทางอุณหพลศาสตร์ของสแตนเลส 304 คือ BCC แต่ถึงอย่างนั้น ความเข้มข้นของโลหะผสมนิกเกิล เช่นเดียวกับแมงกานีสจำนวนเล็กน้อย (ประมาณ 1 เปอร์เซ็นต์) คาร์บอน (น้อยกว่า 0.08 เปอร์เซ็นต์) และไนโตรเจน (ประมาณ 0.06 เปอร์เซ็นต์) ทำให้ยังคงรักษาโครงสร้างของ FCC ไว้ ดังนั้นโลหะผสมจึงไม่มีปฏิกิริยากับแม่เหล็ก หากโลหะผสมเสียรูปทางกลไก หรือที่มีการบิดโค้งงอที่อุณหภูมิห้อง โลหะผสมจะแปรสภาพเป็นบางส่วนเป็นระยะของเฟอริติกและจะทำปฏิกิริยาได้กับแม่เหล็กบางส่วน หรือแปรสภาพเป็นแม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติก เนื่องจากเรียกได้แม่นยำกว่า

 เหล็กกล้าไร้สนิมเฟอริติกที่เป็นที่นิยม คือ โลหะผสมเหล็ก-โครเมียมไบนารีที่มีโครเมียม 13% ถึง 18%  โลหะผสมเหล่านี้เป็นเฟอร์โรแมกเนติก ขณะที่อยู่ภายใต้อุณหภูมิห้อง เช่นเดียวกับโลหะผสมที่เป็นเฟอร์โรแมกเนติกทั้งหมด เมื่อถูกความร้อนจนถึงอุณหภูมิที่สูงพอ เช่น อุณหภูมิคูรี สแตนเลสเฟอร์ริติกจะสูญเสียความเป็นแม่เหล็กและกลายเป็นพาราแมกเนติก ทำให้พวกมันไม่สามารถเก็บแรงสนามแม่เหล็กของตัวเองไว้แต่ยังคงถูกดึงดูดไปยังสนามแม่เหล็กภายนอกได้

โดยทั่วไปแล้วชิ้นส่วนของสแตนเลสเฟอร์ริติกจะไม่ถูกทำให้เป็นแม่เหล็ก แต่เมื่ออยู่ภายใต้สนามแม่เหล็ก มันจะสถานะกลายเป็นแม่เหล็ก และเมื่อเอาสนามแม่เหล็กที่ใช้ออกไป เหล็กจะยังคงเป็นแม่เหล็กอยู่ได้ในระดับหนึ่ง การนี้เปลี่ยนสถานะภาพนี้เกิดจากโครงสร้างจุลภาคของเหล็ก โดยเฉพาะในธรรมชาติของเหล็กเฟอร์ริติกจะประกอบด้วยส่วนเล็กๆ ที่เรียกว่าโดเมนแม่เหล็ก ซึ่งถูกทำให้เป็นแม่เหล็กอย่างสมบูรณ์ แต่โดยทั่วไปแล้ว แนวทางของการทำให้เป็นแม่เหล็กจะแตกต่างกันในแต่ละโดเมน เป็นผลที่ทำให้ผลรวมของโดเมนทั้งหมดทำให้ชิ้นงานมีสถานะของแม่เหล็กเป็นศูนย์ สนามแม่เหล็กภายนอกจะกำหนดทิศทางของโดเมนแม่เหล็กเหล่านี้ ซึ่งการวางแนวทางนั้นขึ้นอยู่กับเหล็กและสนามที่ใช้จากการเติบโตที่เลือกหรือการหดตัวของโดเมนเฉพาะและการทำให้เป็นแม่เหล็กภายในโดเมน หากสนามที่ใช้มีความแข็งแรงเพียงพอ เหล็กจะคงคุณสมบัติความเป็นแม่เหล็กได้ตราบเท่าที่เหล็กมีจำนวนที่เหมาะสมและเพียงพอที่ป้องกันไม่ให้โดเมนหยุดเติบโตหรือหดตัว

โดยพื้นฐานแล้ว สแตนเลสเฟอร์ริติกมีลักษณะเป็นแม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติก ในขณะที่สแตนเลสออสเทนนิติกไม่มีลักษณะเป็นกลศาสตร์ควอนตัม พอจะพูดได้ว่าโลหะเฟอร์โรแมกเนติกประกอบด้วยอะตอมที่มีแกนเป็นอิเล็กตรอนที่ไม่สมบูรณ์และโครงสร้างผลึกที่ส่งผลให้สถานะอิเล็กตรอนมีความหนาแน่นสูงในแถบพลังงานที่เกิดจากแกนในของอะตอมที่ไม่สมบูรณ์ นอกจากนี้ยังมีระยะห่างของอะตอมที่ช่วยให้เกิดการแลกเปลี่ยนผลกระทบระหว่างอิเล็กตรอนในแถบพลังงานที่เกี่ยวข้องกับระดับแกนในที่ไม่สมบูรณ์ หากอะตอมในผลึกโลหะมีระยะห่างกันมากเกินไป ผลกระทบจากการแลกเปลี่ยนจะเล็กเกินไปที่จะทำให้เกิดการจัดช่องว่างของตำแหน่งแม่เหล็กของอะตอมที่อยู่ใกล้เคียง และจะทำให้ผลึกจะไม่แสดงภาวะเฟอร์โรแมกเนติก ความต้องการของมวลที่มีความหนาแน่นสูงเกิดขึ้นจากหลักการกีดกันของเพาลี หลักการนี้ห้ามไม่ให้อิเล็กตรอนที่มีการหมุนรอบเดียวกันมีระดับพลังงานที่เท่ากัน ดังนั้น หากความหนาแน่นของสถานะอิเล็กตรอนค่อนข้างเล็ก อิเล็กตรอนจะต้องใช้สถานะพลังงานที่สูงขึ้นเพื่อให้ทุกอิเล็กตรอนมีพลังงานการหมุนที่เหมือนกัน หากการเพิ่มขึ้นของพลังงานที่เกิดจากการใช้ระดับพลังงานที่สูงขึ้นเกินกว่าพลังงานที่ลดลงจากพลังงานแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอน โครงสร้างจะไม่เป็นแม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติก