Magnetické vlastnosti šedé litiny

1. Zavedení

Šedá (šedá) litina je feromagnetický technický materiál, jehož magnetické chování je dáno železnou matricí (ferit/perlit/cementit), morfologie a historie zpracování vloček grafitu.

Tyto mikrostrukturální vlastnosti řídí propustnost, nátlaku, saturace a ztráty — parametry, které jsou důležité pro kontrolu magnetických částic, magnetické stínění, blízkost motorů/generátorů a chování vířivých proudů.

Tato příručka vysvětluje fyziku, poskytuje praktický návod k měření, představuje typické číselné rozsahy pro běžné mikrostruktury, a ukazuje, jak navrhovat a testovat odlitky, když záleží na magnetickém výkonu.

2. Základní magnetismus v železných materiálech

Feromagnetismus v materiálech na bázi železa vzniká ze zarovnaných magnetických momentů (nepárové elektrony) v atomech Fe.

Pod aplikovaným polem H, domény se zarovnávají a vytvářejí hustotu magnetického toku B. Vztah B–H je nelineární a vykazuje hysterezi.

Několik základních pojmů:

• B (hustota magnetického toku) a H (magnetizační pole) souvisí nelineární B–H křivkou.
• Relativní propustnost (μr) měří, o kolik snadněji se materiál zmagnetizuje než vakuum (μr = B/(μ0H)).
• Nátlak (Hc) je reverzní pole potřebné k redukci B na nulu po magnetizaci (měřítko toho, jak „těžce“ je magnetizace odstranit).
• Remanence (Br) je zbytková hustota toku, když se H vrátí na nulu.
• Hustota saturačního toku (Bs) je maximální B, které materiál vydrží (omezen feromagnetickým objemovým zlomkem).
• Curieova teplota (Tc) je teplota, nad kterou feromagnetismus mizí (pro železné fáze kolem ~770 °C, mírně upraven legováním).

Šedá litina se chová jako a měkký feromagnet při pokojové teplotě (nízká koercivita vzhledem k permanentním magnetům), ale se ztrátami propustnosti a hystereze, které silně závisí na mikrostruktuře.

3. Co řídí magnetismus v šedé litině?

Šedá litina zahrnuje grafitové vločky uloženy v železné matrici (ferit a/nebo perlit a někdy cementit). Každá složka ovlivňuje magnetismus:

• Ferit (a-Fe) — krychlové železo zaměřené na tělo. Měkké feromagnetické; přispívá k vyšší propustnosti a nízké koercitivitě.
• Pearlite (směs feritu a cementitu Fe₃C) — perlitické oblasti obsahují feritové lamely prokládané cementitem;
  tyto snižují účinnou permeabilitu a zvyšují koercitivitu ve srovnání s čistým feritem, protože cementit je neferomagnetický (nebo slabě magnetické) a vytvoří připnutí domény.
• Cementit (Fe₃c) — není silně feromagnetická; působí jako magnetické ředidlo a místo přichycení doménové stěny.
• Grafitové vločky — elektricky a strukturně nespojité vměstky. Grafit sám o sobě není feromagnetický; vločky přerušují magnetickou kontinuitu a vytvářejí místní koncentrace napětí a vnitřní demagnetizační pole.
  Čistým výsledkem je snížení efektivní permeability a zvýšené hysterezní ztráty vzhledem k plně feritické matrici.

Proto: více feritu → vyšší μr, nižší koercitivitu; více perlitu/cementitu → nižší μr, vyšší koercivita a ztráta hystereze.

Morfologie grafitu (velikost, orientace, objemový zlomek) řídí anizotropii a rozptyl magnetického toku.

4. Klíčové magnetické parametry a způsob jejich měření

• B–H křivka / hysterezní smyčka — měřeno pomocí permeametru nebo Epsteinova rámu (pro laminovací oceli) a dává μr(H), Hc, Br, a Bs.
• Relativní propustnost, μr (počáteční a maximální) — počáteční μr při malém H (diktuje odezvu malého signálu) a maximální μr na středních polích.
• Koercivita Hc (A/m nebo Oe) a zůstat hustota toku Br (T) — uveďte, jak „měkké“ nebo „tvrdé“ je magnetické chování.
  Šedá litina je měkký feromagnet (nízké Hc) vzhledem k materiálům s permanentními magnety, ale typicky tvrdší než žíhané nízkouhlíkové oceli, pokud je obsah perlitu/cementitu vysoký.
• Hustota saturačního toku Bs (T) - měřeno při vysokém H; Bs šedé litiny je nižší než u čistého železa kvůli nemagnetickým fázím a poréznosti.
• Curieova teplota Tc — pro železné fáze ~770 °C; slitiny a mikrostruktura posunují Tc mírně; měřeno termomagnetickou analýzou.

Typické nástroje pro měření:

• Přenosný měřiče propustnosti pro rychlou kontrolu obchodu.
• Vibrační magnetometr vzorku (VSM) a hysterezigraf pro laboratorní smyčky B–H.
• Sondy s vířivými proudy a analyzátory impedance pro frekvenčně závislou propustnost a ztrátu.

5. Magnetické vlastnosti typických jakostí šedé litiny

Níže je kompakt, zobrazující tabulku dat zaměřených na inženýrství zástupce rozsahy magnetických vlastností pro běžné mikrostruktury šedé litiny a pro tři běžně specifikované jakosti.

Protože litinové magnety jsou silně závislé na procesu, jedná se o rozsahy určené pro předběžný návrh – pro magneticky kritické díly si vyžádejte smyčky B–H na reprezentativních kuponech.

Jak číst a používat tuto tabulku (praktický návod)

• Počáteční μr je propustnost malého signálu – relevantní pro senzory, malá stejnosměrná pole a první krok magnetizace v NDT.
• Maximální μr udává, jak snadno bude materiál koncentrovat tok, než se blíží saturaci – důležité při předpovídání únikových cest nebo posunu.
• Nátlak (Hc) ukazuje, jak „tvrdě“ se materiál po zmagnetování demagnetizuje (vyšší Hc → remanentnější pole po MPI). Převeďte A/m → Oe dělením ≈79,577 (NAPŘ., 800 A/m ≈ 10.05 Oe).
• Saturace Bs je praktický horní limit pro hustotu toku; Bs šedé litiny je nižší než u čistého železa a mnoha ocelí, protože nemagnetický grafit a cementit snižují feromagnetický objemový podíl.
• Relativní odpor se udává jako násobek měrného odporu měkké oceli (kvalitativní).
  Vyšší měrný odpor snižuje vířivé proudy při střídavých frekvencích – výhoda pro rotující kryty strojů nebo tam, kde by mohly být problémem vířivé ztráty.

6. Jak chemie, mikrostruktura a zpracování mění magnetické vlastnosti

Legování:

• Obsah uhlíku & grafitizace: vyšší volný uhlík → více grafitu → snížené μr a Bs.
• Křemík podporuje grafitizaci a zvyšuje odpor; střední Si má tendenci snižovat propustnost oproti čistému železu.
• Síra, fosfor a další stopové prvky ovlivnit morfologii grafitu a tím i magnetickou kontinuitu.
• Legující prvky jako Ni, Cr, Mn změnit magnetické výměnné interakce a může snížit Curieho teplotu nebo upravit koercitivitu.

Tepelné zpracování:

• Žíhání (feritizace) zvyšuje frakci feritu, zvyšuje μr a snižuje koercitivitu (změkčuje magnetickou odezvu).
• Normalizace / rychlejší chlazení zvyšuje perlit/cementit → snižuje μr a zvyšuje Hc.
• Lokální ohřev nebo svařování může vytvářet magnetickou nehomogenitu a zbytkové napětí, která mění místní propustnost a lze ji nedestruktivně detekovat.

Mechanická deformace:

• Opracování za studena způsobuje dislokace a zbytkové napětí → přišpendlení doménové stěny zvyšuje koercitivitu a snižuje propustnost. Úleva od stresu tyto účinky snižuje.

Pórovitost & Inkluze:

• Póry a nemagnetické inkluze přerušují dráhy toku a snižují efektivní μr a Bs. Mohou také zvýšit hysterezi a ztráty.

7. Anizotropie a efekty grafitových vloček – proč je orientace odlitku důležitá

Grafitové vločky mají tendenci orientovat kolmo na tepelný tok při tuhnutí, často zarovnání zhruba rovnoběžně s povrchy formy. Vločky produkují magnetická anizotropie:

• Flux cestování paralelně s vločkami naráží na jiná demagnetizační pole než na vločky procházející tok kolmý do jejich letadla.
• Tedy měřeno μr a spektra propustnosti může být závislá na směru; v praxi to znamená, že magnetické obvody používající odlitky by měly zvážit orientaci — např., vyrovnání drah toku tak, aby procházely propustnějším směrem, kde je to možné.

Grafitové vločky také vytvářejí lokální deformační pole, které dále ovlivňují pohyb doménové stěny a tím chování hystereze.

8. Elektrický odpor, vířivé proudy a magnetické ztráty v šedé litině

• Odpor: Šedá litina obvykle má vyšší elektrický odpor než nízkouhlíková ocel, protože grafitové vločky a nečistoty narušují dráhy elektronů.
  Kvalitativně: odpor šedé litiny je několik× typické pro nízkouhlíkovou ocel. Vyšší měrný odpor snižuje velikost vířivých proudů pro dané střídavé magnetické pole.
• Ztráta vířivých proudů: Pro střídavé magnety, ztráta = ztráta hystereze + ztráta vířivými proudy.
  Kvůli vyššímu odporu a vločkové struktuře, Ztráty vířivými proudy v šedé litině jsou často nižší než v husté oceli podobné propustnosti, dělá šedou litinu poměrně atraktivní tam, kde existují nízko až středně frekvenční magnetická pole a kde záleží na ztrátách vířivými proudy.
  Však, grafitové vločky mohou vytvářet mikroobvody, které komplikují předpověď ztrát.
• Ztráta hystereze: Zvětšeno perlitem/cementitem a přišpendlením doménové stěny; šedá litina s vysokým podílem perlitu má typicky vyšší ztrátu hystereze než feritická litina.

Implikace designu: pro nízkofrekvenční magnetické obvody (DC nebo statické), šedá litina může přenášet tok, ale neodpovídá jádrům z elektrické oceli pro vysoce účinné střídavé magnetické obvody.

Pro komponenty, kde je magnetická ztráta sekundární (skříně motoru v blízkosti motorů, magnetické montážní plochy), kombinace střední propustnosti šedé litiny a snížené ztráty vířivými proudy může být přijatelná.

9. Praktické aplikace a implikace

Inspekce magnetická částice (MPI)

• Šedá železo je magnetizovatelný a široce kontrolovány pomocí MPI na povrchové a blízké povrchové vady.
  Magnetická odezva (snadnost magnetizace a požadovaný proud) závisí na permeabilitě – feritické odlitky se magnetizují snadněji než perlitické. Orientace pole vzhledem k grafitovým vločkám je důležitá pro citlivost.

Motor & skříně generátorů, rámy a kryty

• Kryty ze šedé litiny se běžně používají pro mechanickou podporu v blízkosti magnetických strojů. Jejich magnetická permeabilita může způsobit magnetický posun nebo změnit vzory rozptylových polí.
  Návrháři musí počítat s magnetickou spojkou (NAPŘ., indukované proudy, magnetický únik) když jsou kryty blízko aktivních cívek nebo permanentních magnetů.

EMI / magnetické stínění

• Šedá litina může díky své propustnosti působit jako magnetická dráha nebo částečný štít pro nízkofrekvenční pole, ale specializované měkké magnetické slitiny nebo laminované elektrooceli jsou preferovány tam, kde je požadována vysoká účinnost stínění a nízké ztráty.
  Vyšší odpor šedé litiny pomáhá při středních frekvencích, ale nedostatek řízené permeability a anizotropie omezují výkon.

Testování vířivými proudy a vazba EMI

• Zvýšený odpor je výhodný pro snížení vířivých proudů ve střídavém prostředí; však, grafitové vločky a poréznost umožňují podrobnou předpověď kožního efektu a komplexu distribuce vírů.

Umístění magnetického senzoru a rozptylová pole

• Inženýři používající fluxgate, Hallovy nebo indukční snímače v blízkosti odlitků musí brát v úvahu místní magnetické anomálie z nehomogenní mikrostruktury litiny a zbytková napětí.

10. Nejlepší praxe měření a úvahy o NDT

• Kdy měřit: specifikujte permeabilitu nebo křivku B–H pro magneticky kritické odlitky (ložisková pouzdra v elektromagnetických pohonech, rámy, které tvoří součást magnetického obvodu).
• Jak měřit: malé kupony (reprezentativní umístění a orientace) měřeno v laboratoři pomocí permeametru nebo VSM;
  pro přijetí do obchodu, používají se přenosné měřiče propustnosti nebo kroužkové/límcové testy.
  Nahlásit obojí počáteční μr a μr v příslušném poli (NAPŘ., 0.5-1,0 T) plus hysterezní smyčka, pokud na ztrátách AC záleží.
• Pro MPI: kalibrujte magnetizační proud na nejnižší hodnotu potřebnou k odhalení defektů bez stimulace nežádoucí remanence;
  Pamatujte, že rozdíly v koercitivitě mohou změnit udržení magnetizace (ovlivňuje demagnetizaci po testování).
• Orientace záznamu: vždy nahlaste orientaci testu (rovnoběžné/kolmé k povrchu odlitku) protože existuje anizotropie.

11. Časté mylné představy & Upřesnění

Celá šedá litina je vysoce magnetická

Falešný. Magnetická síla závisí na fázi matrice: Feritický EN-GJL-200 je silně magnetický (μᵢ = 380 H/m), zatímco perlitický EN-GJL-300 je mírně magnetický (μᵢ = 220 H/m). Třídy bohaté na grafit (C >3.5%) mají slabou magnetickou odezvu.

Obsah uhlíku neovlivňuje magnetismus

Falešný. Uhlík tvoří nemagnetický grafit – zvyšující se C z 3.0% na 3.8% snižuje propustnost o 30–40 % (kritické pro vysoce magnetické aplikace).

Šedá litina může nahradit silikonovou ocel ve vysoce výkonných motorech

Falešný. Křemíková ocel má μₘ = 5000–8000 H/m (2–4x vyšší než šedá litina) a nižší hysterezní ztráta – šedá litina je omezena na nízký až střední výkon (≤5 kW) Aplikace.

Tepelné zpracování nemá žádný vliv na magnetické vlastnosti

Falešný. Žíháním se perlit převádí na ferit, zvýšení μᵢ o 30–35 % – zásadní pro optimalizaci magnetického výkonu u dodatečně odlitých komponent.

12. Závěr

Šedá litina je magnetická, ale materiál citlivý na mikrostrukturu.

Feritické mikrostruktury poskytují nejlepší propustnost a nejnižší ztrátu hystereze, zatímco perlitické/chlazené mikrostruktury snižují propustnost a zvyšují koercitivitu a hysterezi.

Grafitové vločky zavádějí anizotropii a lokálně snižují magnetickou kontinuitu, ale zvyšují elektrický odpor (užitečné pro omezení vířivých proudů).

Pro všechny magneticky důležité obsazení (MPI, blízkost elektromagnetických zařízení, částečné stínění) specifikovat a měřit magnetické parametry (počáteční μr, smyčka B–H, nátlaku, orientace) na reprezentativních kuponech.

Když máte pochybnosti, požádejte slévárnu o data B–H nebo proveďte jednoduché zkoušky propustnosti během vstupní kontroly.

 

Časté časté

Je šedá litina magnetická?

Ano. Při pokojové teplotě je feromagnetický; však, jeho propustnost a hystereze silně závisí na matrici (ferit vs perlit), obsah a zpracování grafitu.

Mohu použít šedou litinu jako materiál magnetického jádra??

Ne pro vysoce výkonná AC jádra. Šedá litina může přenášet tok a poskytovat částečné stínění při nízkých frekvencích, ale elektrooceli nebo měkké magnetické slitiny dávají mnohem lepší, předvídatelný výkon s nižšími ztrátami.

Jak grafit ovlivňuje výsledky MPI?

Grafit snižuje lokální propustnost a způsobuje anizotropii.

Feritické oblasti magnetizují snadněji a vykazují vyšší MPI citlivost; perlitické/chlazené oblasti vyžadují silnější magnetizaci a mohou zachytit zbytky.

Jaká magnetická data si mám vyžádat od dodavatele?

Žádost: zástupce B–H smyčky (pokud možno dvě orientace), počáteční a maximální μr, nátlaku (Hc), saturace Bs a popis měřené orientace/tepelného zpracování. Vyžádejte si také metalografické fotografie zobrazující morfologii grafitu.

Jak mohu snížit remanentní magnetizaci po MPI?

Použijte řízenou střídavou demagnetizaci (postupně klesající střídavé pole) nebo použijte stejnosměrné reverzní pole mírně vyšší než remanentní pole, podle standardní praxe NDT. Ověřte zbytkové pole gaussmetrem.