1. Уводзіны
Шэры (шэры) чыгун - гэта ферамагнітны тэхнічны матэрыял, магнітныя паводзіны якога задаюцца жалезнай матрыцай (ферыт / перліт / цэментыт), марфалогія і гісторыя апрацоўкі графітавых лускавін.
Гэтыя асаблівасці мікраструктуры кантралююць пранікальнасць, прымус, насычэнне і страты — параметры, важныя для магнітапарыскавага кантролю, магнітнае экранаванне, блізкасць да рухавікоў/генератараў і віхравых токаў.
Гэта кіраўніцтва тлумачыць фізіку, дае практычныя рэкамендацыі па вымярэннях, прадстаўлены тыповыя лікавыя дыяпазоны для агульных мікраструктур, і паказвае, як праектаваць і тэставаць адліўкі, калі магнітныя характарыстыкі маюць значэнне.
2. Асноўны магнетызм у чорных металах
Ферамагнетызм у матэрыялах на аснове жалеза ўзнікае з-за выраўнаваных магнітных момантаў (неспаренных электронаў) у атамах Fe.
Пад прыкладным полем H, дамены выраўноўваюцца, ствараючы шчыльнасць магнітнага патоку B. Адносіны B–H нелінейныя і дэманструюць гістарэзіс.
Некалькі істотных паняццяў:
- Б (шчыльнасць магнітнага патоку) і Ч (поле намагнічвання) звязаны нелінейнай крывой B–H.
- Адносная пранікальнасць (мкр) вымярае, наколькі лягчэй намагніціцца матэрыял, чым вакуум (μr = B/(мк0Н)).
- Прымус (Hc) гэта адваротнае поле, неабходнае для звядзення B да нуля пасля намагнічвання (мера таго, наколькі "цяжка" намагнічанасць выдаліць).
- Рэманентнасць (бр) - рэшткавая шчыльнасць патоку, калі H вяртаецца да нуля.
- Шчыльнасць патоку насычэння (Bs) гэта максімальны B, які матэрыял можа вытрымаць (абмежаваны ферамагнітнай аб'ёмнай доляй).
- Тэмпература Кюры (Tc) — тэмпература, вышэй якой ферамагнетызм знікае (для фаз жалеза каля ~770 °C, нязначна зменены шляхам легіравання).
Шэры чыгун паводзіць сябе як а мяккі ферамагнетык Пры пакаёвай тэмпературы (нізкая коэрцитивность адносна пастаянных магнітаў), але са стратамі на пранікальнасць і гістарэзіс, якія моцна залежаць ад мікраструктуры.
3. Што кіруе магнетызмам у шэрым чыгуне?
Шэры чыгун уключае ў сябе графітныя шматкі убудаваны ў жалезную матрыцу (ферыту і/або перліту і часам цементита). Кожны складнік ўплывае на магнетызм:
- Ферытавы (α-Fe) — целацэнтрычны куб. Мяккі ферамагніт; спрыяе больш высокай пранікальнасці і нізкай прымусовай сілы.
- Перліт (сумесь ферыту і цэментыту Fe₃C) — перлітавыя вобласці ўтрымліваюць пласціны ферыту з праслойкай цэментыту;
яны зніжаюць эфектыўную пранікальнасць і павялічваюць каэрцытыўнасць у параўнанні з чыстым ферытам, таму што цэментыт неферамагнітны (або слабамагнітныя) і стварае замацаванне дамена. - Цэментавы (Fe₃c) — не моцна ферамагнітныя; дзейнічае як магнітны разбаўляльнік і месца замацавання даменнай сценкі.
- Графітныя шматкі — электрычна і структурна разрыўныя ўключэнні. Сам графіт не з'яўляецца ферамагнітным; шматкі перарываюць магнітную бесперапыннасць і ствараюць лакальныя канцэнтрацыі напружання і ўнутраныя палі размагнічвання.
Канчатковым вынікам з'яўляецца зніжэнне эфектыўнай пранікальнасці і павелічэнне страт на гістарэзіс у параўнанні з цалкам ферытнай матрыцай.
Вось чаму: больш ферыту → вышэй μr, ніжняя прымусовая сіла; больш перліту/цэментыту → ніжэй μr, больш высокая коэрцитивная сіла і страты на гістарэзіс.
Марфалогія графіту (памер, арыентацыя, аб'ёмная доля) кантралюе анізатрапію і рассейванне магнітнага патоку.
4. Асноўныя магнітныя параметры і спосабы іх вымярэння
- Крывая B–H / пятля гістэрэзісу — вымяраецца пермеаметрам або рамкай Эпштэйна (для ламінавання сталей) і дае мкр(Ч), Hc, бр, і Bs.
- Адносная пранікальнасць, мкр (пачатковы і максімальны) — пачатковы мкр пры малой Х (дыктуе рэакцыю на малы сігнал) і максімум μr пры ўмераных палях.
- Каэрцытыўнасць Hc (A/m або Oe) і застаецца шчыльнасць патоку Br (T) — пакажыце, наколькі «мяккія» або «цвёрдыя» магнітныя паводзіны.
Шэры чыгун — мяккі ферамагнетык (нізкі Hc) у параўнанні з матэрыяламі з пастаяннымі магнітамі, але звычайна больш цвёрдыя, чым апаленыя нізкавугляродзістыя сталі, калі ўтрыманне перліту/цэментыту высокае. - Шчыльнасць патоку насычэння Bs (T) — вымяраецца пры высокай H; Bs шэрага чыгуну ніжэй, чым чыстага жалеза з-за немагнітных фаз і сітаватасці.
- Тэмпература Кюры Tc — для фаз жалеза ~770 °C; сплаваў і мікраструктуры нязначна зрушваюць Tc; вымяраецца тэрмамагнітным аналізам.
Тыповыя сродкі вымярэння:
- Партатыўны метра пранікальнасці для хуткай праверкі крамы.
- Вібрацыйны магнітометр (ВСМ) і гістэрэзісграф для лабараторных B–H завес.
- Віхратокавыя зонды і аналізатары імпедансу для частотна-залежнай пранікальнасці і страт.
5. Магнітныя ўласцівасці тыповых марак шэрага чыгуну
Ніжэй - кампакт, табліца дадзеных, арыентаваных на тэхніку прадстаўнік дыяпазоны магнітных уласцівасцей для звычайных мікраструктур шэрага чыгуну і для трох звычайна вызначаных марак.
Паколькі магнітнасць чыгуну моцна залежыць ад працэсу, гэтыя лічбы з'яўляюцца дыяпазонамі, прызначанымі для папярэдняга праектавання - для магнітна-важных частак запытвайце петлі B–H на рэпрэзентатыўных купонах.
| Сартаваць / Мікраструктура | Тыповая мікраструктура (графіт : матрыца) | Пачатковы мкр (прыбл.) | Максімальны мкр (прыбл.) | Каэрцытыўнасць Hc (прыбл.) | Насычанасць Bs (прыбл.) | Удзельнае электрычнае супраціўленне (сваяк) | Тыповыя наступствы |
| Ферытны шэры чыгун (высокаферытныя) | Лускавіны графіт (~2–4% аб) у значнай ступені ферытны матрыца | 200 - 1 000 | 1 000 - 2 500 | 50 - 200 А/м (≈0,6–2,5 Э) | 1.30 - 1.70 T | ~2 – 4× мяккая сталь | Найвышэйшая праходнасць / самыя нізкія страты на гістэрэзіс шэрага чыгуну; лепшае для адчувальнасці MPI і шляхоў статычнага патоку з нізкімі стратамі |
| EN-GJL-200 (мякчэй, больш ферыту) | Лускавіны графіт, багатая ферытам матрыца | 150 - 600 | 600 - 1 500 | 80 - 300 А/м (≈1,0–3,8 Э) | 1.20 - 1.60 T | ~2 – 4× мяккая сталь | Лёгка намагнічваецца; падыходзіць для карпусоў, дзе патрабуецца некаторы магнітны шлях або MPI |
| EN-GJL-250 (тыповая камерцыйная сумесь) | Лускавіны графіт, змешаны ферыт/перліт матрыца | 50 - 300 | 300 - 1 000 | 200 - 800 А/м (≈2,5–10 Э) | 1.00 - 1.50 T | ~2 – 5× мяккая сталь | Ўмераная пранікальнасць; ўласцівасці, адчувальныя да фракцыі перліту і марфалогіі графіту (агульны інжынерны клас) |
| EN-GJL-300 (больш высокая трываласць; больш перліту) | Лускавіны графіт, багатыя перлітам матрыца | 20 - 150 | 150 - 600 | 400 - 1 500 А/м (≈5,0–19 Э) | 0.80 - 1.30 T | ~3 – 6× мяккая сталь | Меншы μr і больш высокія страты на гістарэзіс; патрабуе большага намагнічвання MMF для MPI або флюсу |
| Астуджаным / моцна перлітаваны / цэментытны | Вобласці астуджэння дробнага графіту/белага чыгуну, высокі цементит | 10 - 80 | 80 - 300 | 800 - 3 000 А/м (≈10–38 Э) | 0.7 - 1.2 T | ~3 – 8× мяккая сталь | Самая нізкая праходнасць, самая высокая коэрцитивность/гістэрэзіс; бедны для магнітных ланцугоў, часта самая высокая рэшткавая намагнічанасць пасля намагнічвання |
Як чытаць і выкарыстоўваць гэтую табліцу (практычнае кіраўніцтва)
- Пачатковы мкр з'яўляецца пранікальнасць малога сігналу - актуальная для датчыкаў, малыя палі пастаяннага току і першы крок намагнічвання ў НК.
- Максімальны мкр паказвае, наколькі лёгка матэрыял будзе канцэнтраваць паток перад набліжэннем да насычэння - важна пры прагназаванні шляхоў уцечкі або шунтавання.
- Прымус (Hc) паказвае, наколькі «цяжкі» матэрыял размагніціцца пасля намагнічвання (вышэй Hc → больш рэшткавага поля пасля MPI). Пераўтварыце А/м → Э, падзяліўшы на ≈79,577 (e.g., 800 А/м ≈ 10.05 Оэ).
- Насычанасць Bs гэта практычная верхняя мяжа для шчыльнасці патоку; Bs шэрага чыгуну ніжэй, чым у чыстага жалеза і многіх сталей, таму што немагнітныя графіт і цэментыт памяншаюць аб'ёмную долю ферамагнітных.
- Адноснае ўдзельнае супраціўленне даецца як кратнае ўдзельнае супраціўленне мяккай сталі (якасны).
Больш высокае ўдзельнае супраціўленне памяншае віхравыя токі на частотах пераменнага току - перавага для карпусоў машын, якія верцяцца, або там, дзе могуць быць праблемай віхравыя страты.
6. Як хімія, мікраструктура і апрацоўка змяняюць магнітныя ўласцівасці
Легіраванне:
- Змест вугляроду & графітызацыі: больш вольнага вугляроду → больш графіту → паменшаныя μr і Bs.
- Крэмнім спрыяе графітызацыі і павышае ўдзельнае супраціўленне; умераны Si, як правіла, зніжае пранікальнасць у параўнанні з чыстым жалезам.
- Серы, фосфар і іншыя мікраэлементы уплываюць на марфалогію графіту і, такім чынам, на магнітную бесперапыннасць.
- Легіруючыя элементы, такія як Ni, Кр, Мн змяніць узаемадзеянне магнітнага абмену і можа знізіць тэмпературу Кюры або змяніць коэрцитивную сілу.
Тэрмічная апрацоўка:
- Адпачынку (ферритизирующий) павялічвае долю ферыту, павялічвае μr і памяншае коэрцитивность (змякчае магнітную рэакцыю).
- Нармалізацыя / больш хуткае астуджэнне павялічвае перліт/цэментыт → памяншае μr і павялічвае Hc.
- Лакалізаваны нагрэў або зварка можа ствараць магнітную неаднароднасць і рэшткавае напружанне, які змяняе мясцовую пранікальнасць і можа быць выяўлены неразбуральным метадам.
Механічная дэфармацыя:
- Халодная апрацоўка ўводзіць вывіхі і рэшткавае напружанне → замацаванне даменнай сценкі павышае прымусовую сілу і зніжае пранікальнасць. Зняцце стрэсу памяншае гэтыя эфекты.
Сітаватасць & уключэнні:
- Поры і немагнітныя ўключэнні перарываюць шляхі патоку і зніжаюць эфектыўныя μr і Bs. Яны таксама могуць павялічыць гістэрэзіс і страты.
7. Анізатрапія і эфекты графітавых шматкоў - чаму важная арыентацыя адліўкі
Графітавыя шматкі, як правіла арыентаваць перпендыкулярна цеплавому патоку падчас застывання, часта выраўноўваючы прыкладна паралельна паверхні формы. Шматкі вырабляюць магнітная анізатрапіі:
- Паток падарожжаў паралельна шматкам сутыкаецца з іншымі размагнічваючымі палямі, чым паток, які перасякае шматкі перпендыкулярны да іх самалёта.
- Так вымяраецца мкр і спектры пранікальнасці можа залежаць ад кірунку; на практыцы гэта азначае, што магнітныя ланцугі з выкарыстаннем адлівак павінны ўлічваць арыентацыю - напрыклад,, выраўноўванне шляхоў патоку для праходжання больш пранікальнага кірунку, дзе гэта магчыма.
Графітавыя шматкі таксама ствараюць лакальныя палі дэфармацыі, якія дадаткова ўплываюць на рух даменнай сценкі і, такім чынам, на паводзіны гістарэзісу.
8. Удзельнае электрычнае супраціўленне, віхравыя токі і магнітныя страты ў шэрым чыгуне
- Удзельнае супраціўленне: Звычайна мае шэры чыгун больш высокае ўдзельнае электрычнае супраціўленне чым нізкавугляродзістай сталі, таму што графітавыя шматкі і прымешкі парушаюць шляхі электронаў.
Якасна: удзельнае супраціўленне шэрага чыгуну некалькі × што тыповай нізкавугляродзістай сталі. Большае ўдзельнае супраціўленне памяншае велічыню віхравых токаў для дадзенага пераменнага магнітнага поля. - Страты на віхравыя токі: Для пераменнага току, страты = страты на гістэрэзіс + страты на віхравыя токі.
З-за больш высокага ўдзельнага супраціву і структуры шматкоў, віхравыя страты ў шэрым чыгуне часта ніжэйшыя, чым у шчыльнай сталі падобнай пранікальнасці, робячы шэры чыгун параўнальна прывабным там, дзе існуюць магнітныя палі ад нізкай да ўмеранай частаты і віхравыя страты маюць значэнне.
Аднак, графітавыя шматкі могуць ствараць мікрасхемы, якія ўскладняюць прагназаванне страт. - Гістэрэзісныя страты: Павялічаны за кошт перліту/цэментыту і замацавання даменнай сценкі; шэры чыгун з высокай доляй перліту звычайна мае больш высокія страты на гістарэзіс, чым ферытны чыгун.
Дызайнерскі падтэкст: для нізкачашчынных магнітных ланцугоў (DC або статычны), шэры чыгун можа пераносіць флюс, але не будзе адпавядаць электрычным сталёвым стрыжням для высокаэфектыўных магнітных ланцугоў пераменнага току.
Для кампанентаў, дзе магнітныя страты з'яўляюцца другаснымі (карпусы рухавікоў побач з рухавікамі, магнітныя мантажныя паверхні), Спалучэнне шэрага чыгуну ўмеранай пранікальнасці і паменшаных віхравых страт можа быць прымальным.
9. Практычнае прымяненне і наступствы
Агляд магнітных часціц (MPI)
- Шэры чыгун ёсць намагнічваюцца і шырока правяраецца з дапамогай MPI на паверхневыя і прыпаверхневыя дэфекты.
Магнітная рэакцыя (прастата намагнічвання і неабходны ток) залежыць ад пранікальнасці — ферытныя адліўкі лягчэй намагнічваюцца, чым перлітавыя. Арыентацыя поля адносна графітавых шматкоў мае значэнне для адчувальнасці.
Матор & Корпусы генератара, рамы і агароджы
- Корпусы з шэрага чыгуну звычайна выкарыстоўваюцца для механічнай падтрымкі каля магнітных машын. Іх магнітная пранікальнасць можа выклікаць магнітнае шунтаванне або змяніць карціны палёў рассейвання.
Канструктары павінны ўлічваць магнітную сувязь (e.g., індукаваныя токі, магнітная ўцечка) калі карпусы знаходзяцца побач з актыўнымі шпулькамі або пастаяннымі магнітамі.
EMI / магнітнае экранаванне
- Шэры чыгун можа дзейнічаць як магнітны шлях або частковы экран для нізкачашчынных палёў з-за сваёй пранікальнасці, але спецыялізаваныя магнітна-мяккія сплавы або ламінаваныя электратэхнічныя сталі з'яўляюцца пераважнымі, калі патрабуецца высокая эфектыўнасць экранавання і нізкія страты.
Больш высокае ўдзельнае супраціўленне шэрага чыгуну дапамагае на прамежкавых частотах, але адсутнасць кантраляванай пранікальнасці і анізатрапіі абмяжоўваюць прадукцыйнасць.
Віхратокавыя выпрабаванні і сувязь ЭМІ
- Падвышаны ўдзельны супраціў з'яўляецца выгадным для памяншэння віхравых токаў у асяроддзі пераменнага току; аднак, графітавыя шматкі і сітаватасць робяць дэталёвы прагноз скін-эфекту і комплексу размеркавання віхравых.
Месцазнаходжанне магнітнага датчыка і рассейваныя палі
- Інжынеры выкарыстоўваюць феррозонд, Датчыкі Хола або індуктыўныя датчыкі паблізу адлівак павінны ўлічваць лакальныя магнітныя анамаліі ад неаднароднай мікраструктуры чыгуну і рэшткавых напружанняў.
10. Лепшыя практыкі вымярэнняў і меркаванні па НК
- Калі мераць: укажыце пранікальнасць або крывую B–H для магнітна-крытычных адлівак (карпусы падшыпнікаў у электрамагнітных прывадах, кадры, якія ўтвараюць частку магнітнага ланцуга).
- Як вымераць: невялікія купоны (рэпрэзентатыўнае размяшчэнне і арыентацыя) вымяраецца ў лабараторыі пермеаметрам або VSM;
для прыёмкі ў краму, выкарыстоўваюцца партатыўныя вымяральнікі пранікальнасці або выпрабаванні кольцам/каўняром.
Паведаміць аб абодвух пачатковы мкр і μr у адпаведным полі (e.g., 0.5–1,0 т) плюс пятля гістарэзісу, калі страты пераменнага току маюць значэнне. - Для MPI: адкалібраваць ток намагнічанасці да найменшага, неабходнага для выяўлення дэфектаў без стымуляцыі непажаданай рэшткавай намагнічанасці;
памятайце, што рознасць коэрцитивной сілы можа змяніць захаванне намагнічанасці (ўплывае на размагнічванне пасля выпрабаванняў). - Арыентацыя запісу: заўсёды паведамляйце аб арыентацыі тэсту (паралельна/перпендыкулярна паверхні адліўкі) таму што існуе анізатрапія.
11. Распаўсюджаныя памылкі & Удакладненні
Увесь шэры чыгун мае высокую магнетычнасць
Хлусня. Магнітная сіла залежыць ад фазы матрыцы: Ферытны EN-GJL-200 з'яўляецца моцным магнітам (μᵢ = 380 Г/м), у той час як перлітавы EN-GJL-300 умерана магнітны (μᵢ = 220 Г/м). Багатыя графітам гатункі (C >3.5%) маюць слабую магнітную рэакцыю.
Змест вугляроду не ўплывае на магнетызм
Хлусня. Вуглярод утварае немагнітны графіт — павялічваючы C ад 3.0% да 3.8% зніжае пранікальнасць на 30-40% (крытычны для прыкладанняў з высокім магнітным уздзеяннем).
Шэры чыгун можа замяніць крамянёвую сталь у магутных рухавіках
Хлусня. Крамянёвая сталь мае μₘ = 5000–8000 Гн/м (2– у 4 разы вышэй, чым у шэрага чыгуну) і больш нізкія страты на гістарэзіс - шэры чыгун абмежаваны нізкай і сярэдняй магутнасцю (≤5 кВт) прыкладанне.
Цеплавая апрацоўка не ўплывае на магнітныя ўласцівасці
Хлусня. Адпал ператварае перліт у ферыт, павелічэнне μᵢ на 30–35% — гэта вельмі важна для аптымізацыі магнітных характарыстык у кампанентах пасля адліцця.
12. Conclusion
Шэры чыгун - магніт, але адчувальны да мікраструктуры матэрыял.
Ферытныя мікраструктуры даюць лепшую пранікальнасць і найменшыя страты на гістарэзіс, у той час як перлітныя/астуджаныя мікраструктуры зніжаюць пранікальнасць і павялічваюць прымусовую сілу і гістарэзіс.
Графітавыя шматкі ствараюць анізатрапію і лакальна памяншаюць бесперапыннасць магнітнага поля, але павялічваюць удзельнае электрычнае супраціўленне (карысна для абмежавання віхравых токаў).
Для любога магнітна важнага ліццё (MPI, блізкасць да электрамагнітных прылад, частковае экранаванне) удакладніць і вымераць магнітныя параметры (пачатковы мкр, Б–Н пятля, прымус, арыентацыя) па рэпрэзентатыўных талонах.
Калі вы сумняваецеся, спытайце ў ліцейнага завода дадзеныя B–H або правядзіце простыя выпрабаванні на пранікальнасць падчас уваходнага кантролю.
FAQ
З'яўляецца магнітным з шэрага чыгуну?
Так. Ён ферамагнітны пры пакаёвай тэмпературы; аднак, яго пранікальнасць і гістарэзіс моцна залежаць ад матрыцы (ферыт супраць перліту), утрыманне і апрацоўка графіту.
Ці магу я выкарыстоўваць шэры чыгун у якасці магнітнага стрыжня?
Не для высокапрадукцыйных ядраў пераменнага току. Шэры чыгун можа пераносіць флюс і забяспечваць частковае экранаванне на нізкіх частотах, але электратэхнічныя сталі або магнітна-мяккія сплавы даюць нашмат лепш, прадказальная прадукцыйнасць з меншымі стратамі.
Як графіт ўплывае на вынікі MPI?
Графіт зніжае лакальную пранікальнасць і выклікае анізатрапіі.
Ферытныя вобласці намагнічваюцца лягчэй і праяўляюць больш высокую адчувальнасць да MPI; перлітавыя/астуджаныя ўчасткі патрабуюць большай намагнічанасці і могуць утрымліваць рэшткавую намагнічанасць.
Якія магнітныя дадзеныя я павінен запытаць у пастаўшчыка?
Запыт: прадстаўнік B–H завесы (дзве арыентацыі, калі магчыма), пачатковы і максімальны мкр, прымус (Hc), насычэнне Bs і апісанне вымеранай арыентацыі/тэрмічнай апрацоўкі. Таксама запытайце металаграфічныя фатаграфіі, якія паказваюць марфалогію графіту.
Як паменшыць рэшткавую намагнічанасць пасля MPI?
Выкарыстоўвайце кантраляванае размагнічванне пераменным токам (паступова памяншаецца пераменнае поле) або ўжыць зваротнае поле пастаяннага току крыху вышэй, чым рэшткавае поле, у адпаведнасці са стандартнай практыкай НК. Праверце рэшткавае поле з дапамогай гаусметра.
