Magnetische Eigenschaften von Grauguss

1. Einführung

Grau (grau) Gusseisen ist ein ferromagnetischer Werkstoff, dessen magnetisches Verhalten durch die Eisenmatrix bestimmt wird (Ferrit/Perlit/Zementit), Graphitflockenmorphologie und Verarbeitungsgeschichte.

Diese mikrostrukturellen Merkmale steuern die Durchlässigkeit, Koerzitivkraft, Sättigung und Verluste – Parameter, die für die Magnetpulverprüfung von Bedeutung sind, magnetische Abschirmung, Nähe zu Motoren/Generatoren und Wirbelstromverhalten.

Dieser Leitfaden erklärt die Physik, gibt praktische Messanleitungen, stellt typische Zahlenbereiche für gängige Mikrostrukturen vor, und zeigt, wie Gussteile entworfen und getestet werden, wenn es auf die magnetische Leistung ankommt.

2. Grundlegender Magnetismus in Eisenmaterialien

Ferromagnetismus in eisenbasierten Materialien entsteht durch ausgerichtete magnetische Momente (ungepaarte Elektronen) in Fe-Atomen.

Unter einem angelegten Feld H, Domänen richten sich aus und erzeugen eine magnetische Flussdichte B. Die B-H-Beziehung ist nichtlinear und weist eine Hysterese auf.

Ein paar wesentliche Konzepte:

• B (magnetische Flussdichte) Und H (magnetisierendes Feld) hängen durch die nichtlineare B-H-Kurve zusammen.
• Relative Durchlässigkeit (μr) misst, wie viel einfacher sich ein Material magnetisieren lässt als Vakuum (μr = B/(μ0H)).
• Koerzitivkraft (Hc) ist das umgekehrte Feld, das benötigt wird, um B nach der Magnetisierung auf Null zu reduzieren (ein Maß dafür, wie „schwer“ die Magnetisierung zu entfernen ist).
• Remanenz (Br) ist die verbleibende Flussdichte, wenn H auf Null zurückkehrt.
• Sättigungsflussdichte (Bs) ist das maximale B, das das Material aushalten kann (durch den ferromagnetischen Volumenanteil begrenzt).
• Curie-Temperatur (Tc) ist die Temperatur, oberhalb derer der Ferromagnetismus verschwindet (für Eisenphasen um ~770 °C, durch Legierung leicht modifiziert).

Grauguss verhält sich wie ein weicher Ferromagnet bei Raumtemperatur (niedrige Koerzitivfeldstärke im Vergleich zu Permanentmagneten), allerdings mit Permeabilitäts- und Hystereseverlusten, die stark von der Mikrostruktur abhängen.

3. Was steuert den Magnetismus in Grauguss?

Graues Gusseisen umfasst Graphitflocken eingebettet in eine Eisenmatrix (Ferrit und/oder Perlit und manchmal Zementit). Jeder Bestandteil beeinflusst den Magnetismus:

• Ferrit (α-Fe) — Körperzentriertes kubisches Eisen. Weich ferromagnetisch; trägt zu höherer Permeabilität und niedriger Koerzitivfeldstärke bei.
• Pearlit (Mischung aus Ferrit und Zementit Fe₃C) — Perlitische Regionen enthalten mit Zementit durchsetzte Ferritlamellen;
  Diese verringern die effektive Permeabilität und erhöhen die Koerzitivfeldstärke im Vergleich zu reinem Ferrit, da Zementit nicht ferromagnetisch ist (oder schwach magnetisch) und erstellt Domain-Pinning.
• Zementit (Fe₃c) — nicht stark ferromagnetisch; fungiert als magnetisches Verdünnungsmittel und als Fixierungsstelle für die Domänenwand.
• Graphitflocken — elektrisch und strukturell diskontinuierliche Einschlüsse. Graphit selbst ist nicht ferromagnetisch; Flocken unterbrechen die magnetische Kontinuität und erzeugen lokale Spannungskonzentrationen und interne Entmagnetisierungsfelder.
  Das Nettoergebnis ist eine Verringerung der effektiven Permeabilität und erhöhte Hystereseverluste im Vergleich zu einer vollständig ferritischen Matrix.

daher: mehr Ferrit → höherer μr, geringere Koerzitivfeldstärke; mehr Perlit/Zementit → geringerer μr, höhere Koerzitivkraft und Hystereseverlust.

Graphitmorphologie (Größe, Orientierung, Volumenanteil) Steuert die Anisotropie und Streuung des magnetischen Flusses.

4. Wichtige magnetische Parameter und wie sie gemessen werden

• B-H-Kurve / Hystereseschleife — gemessen mit einem Permeameter oder Epstein-Messgerät (für Lamellenstähle) und ergibt μr(H), Hc, Br, und Bs.
• Relative Durchlässigkeit, μr (Anfang und Maximum) — anfänglicher μr bei kleinem H (bestimmt die Reaktion auf kleine Signale) und maximales μr bei moderaten Feldern.
• Koerzitivfeldstärke Hc (A/m oder Oe) Und bleiben Flussdichte Br (T) — geben an, wie „weich“ oder „hart“ das magnetische Verhalten ist.
  Grauguss ist ein weicher Ferromagnet (niedriger Hc) relativ zu Permanentmagnetmaterialien, aber typischerweise härter als geglühte kohlenstoffarme Stähle, wenn der Perlit-/Zementitgehalt hoch ist.
• Sättigungsflussdichte Bs (T) – gemessen bei hohem H; Der Bs-Wert von Grauguss ist aufgrund nichtmagnetischer Phasen und Porosität niedriger als der von reinem Eisen.
• Curie-Temperatur Tc — für Eisenphasen ~770 °C; Legierungen und Mikrostruktur verschieben Tc leicht; gemessen mit thermomagnetischer Analyse.

Typische Messwerkzeuge:

• Tragbar Permeabilitätsmessgeräte für schnelle Shop-Checks.
• Vibrationsprobenmagnetometer (VSM) Und Hysteresegraph für Labor-BH-Schleifen.
• Wirbelstromsonden Und Impedanzanalysatoren für frequenzabhängige Permeabilität und Verlust.

5. Magnetische Eigenschaften typischer Graugusssorten

Unten ist eine kompakte, Technische Datentabellendarstellung Vertreter magnetische Eigenschaftsbereiche für gängige Grauguss-Mikrostrukturen und für drei allgemein spezifizierte Güten.

Da die magnetischen Eigenschaften von Gusseisen stark prozessabhängig sind, handelt es sich bei diesen Zahlen um Bereiche, die für die vorläufige Konstruktion gedacht sind – für magnetisch kritische Teile fordern Sie B–H-Schleifen auf repräsentativen Coupons an.

So lesen und verwenden Sie diese Tabelle (praktische Anleitung)

• Anfänglicher μr ist die Kleinsignaldurchlässigkeit – relevant für Sensoren, kleine Gleichfelder und der erste Magnetisierungsschritt in der ZfP.
• Maximaler μr Gibt an, wie schnell das Material den Fluss konzentriert, bevor es sich der Sättigung nähert – wichtig für die Vorhersage von Leckpfaden oder Nebenschlüssen.
• Koerzitivkraft (Hc) zeigt, wie „schwer“ sich das Material nach der Magnetisierung entmagnetisieren lässt (höherer Hc → stärker remanentes Feld nach MPI). Wandeln Sie A/m → Oe um, indem Sie durch ≈79,577 dividieren (z.B., 800 A/m ≈ 10.05 Oe).
• Sättigung Bs ist die praktische Obergrenze für die Flussdichte; Der Bs-Wert von Grauguss ist niedriger als der von reinem Eisen und vielen Stählen, da nichtmagnetischer Graphit und Zementit den ferromagnetischen Volumenanteil reduzieren.
• Relativer Widerstand wird als Vielfaches des spezifischen Widerstands von Baustahl angegeben (qualitativ).
  Ein höherer spezifischer Widerstand reduziert Wirbelströme bei Wechselstromfrequenzen – ein Vorteil für rotierende Maschinengehäuse oder dort, wo Wirbelverluste ein Problem darstellen könnten.

6. Wie Chemie, Mikrostruktur und Verarbeitung verändern die magnetischen Eigenschaften

Legieren:

• Kohlenstoffgehalt & Graphitierung: höherer freier Kohlenstoff → mehr Graphit → reduzierter μr und Bs.
• Silizium fördert die Graphitisierung und erhöht den spezifischen Widerstand; Mäßiges Si verringert im Vergleich zu reinem Eisen tendenziell die Permeabilität.
• Schwefel, Phosphor und andere Spurenelemente beeinflussen die Graphitmorphologie und damit die magnetische Kontinuität.
• Legierungselemente wie Ni, Cr, Mn verändern magnetische Austauschwechselwirkungen und können die Curie-Temperatur senken oder die Koerzitivfeldstärke verändern.

Wärmebehandlung:

• Glühen (ferritisieren) erhöht den Ferritanteil, erhöht μr und verringert die Koerzitivfeldstärke (mildert die magnetische Reaktion).
• Normalisieren / schnellere Abkühlung erhöht Perlit/Zementit → verringert μr und erhöht Hc.
• Lokales Erhitzen oder Schweißen kann magnetische Inhomogenität und Eigenspannung erzeugen, welches die lokale Permeabilität verändert und zerstörungsfrei detektiert werden kann.

Mechanische Verformung:

• Kaltverformung führt zu Versetzungen und Eigenspannungen → Die Fixierung der Domänenwände erhöht die Koerzitivfeldstärke und verringert die Permeabilität. Stressabbau reduziert diese Effekte.

Porosität & Einschlüsse:

• Poren und nichtmagnetische Einschlüsse unterbrechen die Flusswege und verringern den effektiven μr- und Bs-Wert. Sie können auch die Hysterese und den Verlust erhöhen.

7. Anisotropie und Graphitflockeneffekte – warum die Ausrichtung des Gussteils wichtig ist

Graphitflocken neigen dazu orientieren sich während der Erstarrung senkrecht zum Wärmefluss, oft ungefähr parallel zu den Formoberflächen ausgerichtet. Die Flocken produzieren magnetische Anisotropie:

• Flussreisen parallel zu Flocken trifft auf andere Entmagnetisierungsfelder als Flocken, die den Fluss kreuzen senkrecht zu ihrem Flugzeug.
• Daher gemessen μr Und Permeabilitätsspektren kann richtungsabhängig sein; In der Praxis bedeutet dies, dass Magnetkreise mit Gussteilen die Ausrichtung berücksichtigen sollten – z. B., Ausrichtung der Flusspfade so, dass sie nach Möglichkeit die durchlässigere Richtung durchlaufen.

Graphitflocken erzeugen auch lokale Spannungsfelder, die die Domänenwandbewegung und damit das Hystereseverhalten weiter beeinflussen.

8. Elektrischer Widerstand, Wirbelströme und magnetische Verluste in Grauguss

• Widerstand: Typischerweise ist das bei Grauguss der Fall höherer elektrischer Widerstand als kohlenstoffarmer Stahl, da Graphitflocken und Verunreinigungen die Elektronenpfade stören.
  Qualitativ: Der spezifische Widerstand von Grauguss beträgt mehrere× die von typischem kohlenstoffarmen Stahl. Ein höherer spezifischer Widerstand verringert die Wirbelstromstärke für ein gegebenes magnetisches Wechselfeld.
• Wirbelstromverlust: Für Wechselstrommagnete, Verlust = Hystereseverlust + Wirbelstromverlust.
  Aufgrund des höheren spezifischen Widerstands und der Flockenstruktur, Wirbelverluste in Grauguss sind oft geringer als in dichtem Stahl mit ähnlicher Permeabilität, Dies macht Grauguss dort vergleichsweise attraktiv, wo nieder- bis mittelfrequente Magnetfelder vorhanden sind und Wirbelverluste eine Rolle spielen.
  Jedoch, Graphitflocken können Mikroschaltkreise bilden, die die Verlustvorhersage erschweren.
• Hystereseverlust: Erhöht durch Perlit/Zementit und Domänenwand-Pinning; Grauguss mit hohem Perlitanteil weist typischerweise einen höheren Hystereseverlust auf als ferritisches Gusseisen.

Designimplikationen: für niederfrequente Magnetkreise (Gleichstrom oder statisch), Grauguss kann Flussmittel transportieren, passt aber nicht zu Elektrostahlkernen für hocheffiziente Wechselstrom-Magnetkreise.

Für Komponenten, bei denen magnetische Verluste zweitrangig sind (Motorgehäuse in der Nähe von Motoren, magnetische Montageflächen), Die Kombination aus mäßiger Permeabilität und reduziertem Wirbelverlust bei Grauguss kann akzeptabel sein.

9. Praktische Anwendungen und Implikationen

Magnetpulverprüfung (MPI)

• Grauguss ist magnetisierbar und umfassend mit MPI auf Oberflächen- und oberflächennahe Defekte untersucht.
  Die magnetische Reaktion (einfache Magnetisierung und erforderlicher Strom) hängt von der Permeabilität ab – ferritische Gussteile lassen sich leichter magnetisieren als perlitische. Die Ausrichtung des Feldes relativ zu den Graphitflocken ist für die Empfindlichkeit von Bedeutung.

Motor & Generatorgehäuse, Rahmen und Gehäuse

• Graugussgehäuse werden üblicherweise zur mechanischen Unterstützung in der Nähe magnetischer Maschinen verwendet. Ihre magnetische Permeabilität kann magnetische Nebenschlüsse verursachen oder Streufeldmuster verändern.
  Konstrukteure müssen die magnetische Kopplung berücksichtigen (z.B., induzierte Ströme, magnetische Streuung) wenn sich Gehäuse in der Nähe von aktiven Spulen oder Permanentmagneten befinden.

EMI / magnetische Abschirmung

• Aufgrund seiner Permeabilität kann Grauguss als magnetischer Pfad oder teilweise Abschirmung für niederfrequente Felder dienen, Aber spezielle weichmagnetische Legierungen oder laminierte Elektrostähle werden dort bevorzugt, wo eine hohe Abschirmwirkung und geringe Verluste erforderlich sind.
  Der höhere spezifische Widerstand von Grauguss hilft bei Zwischenfrequenzen, aber der Mangel an kontrollierter Permeabilität und Anisotropie schränkt die Leistung ein.

Wirbelstromprüfung und EMI-Kopplung

• Ein erhöhter spezifischer Widerstand ist vorteilhaft für die Reduzierung von Wirbelströmen in Wechselstromumgebungen; Jedoch, Graphitflocken und Porosität ermöglichen eine detaillierte Vorhersage des Hauteffekts und der Wirbelverteilung.

Standort des magnetischen Sensors und Streufelder

• Ingenieure nutzen Fluxgate, Hall- oder induktive Sensoren in der Nähe von Gussteilen müssen lokale magnetische Anomalien aufgrund inhomogener Gusseisenmikrostruktur und Eigenspannungen berücksichtigen.

10. Best Practices für Messungen und ZfP-Überlegungen

• Wann messen: Geben Sie die Permeabilität oder B-H-Kurve für magnetisch kritische Gussteile an (Lagergehäuse in elektromagnetischen Aktuatoren, Rahmen, die Teil eines Magnetkreises sind).
• So messen Sie: kleine Gutscheine (repräsentative Lage und Ausrichtung) im Labor mit einem Permeameter oder VSM gemessen;
  zur Shop-Akzeptanz, Es kommen tragbare Permeabilitätsmessgeräte oder Ring-/Kragentests zum Einsatz.
  Melde beides anfänglicher μr Und μr im relevanten Feld (z.B., 0.5–1,0 T) plus Hystereseschleife, wenn Wechselstromverluste von Bedeutung sind.
• Für MPI: Kalibrieren Sie den Magnetisierungsstrom auf den niedrigsten Wert, der erforderlich ist, um Defekte aufzudecken, ohne unerwünschte Remanenz zu stimulieren;
  Denken Sie daran, dass Unterschiede in der Koerzitivfeldstärke die Beibehaltung der Magnetisierung verändern können (beeinflusst die Entmagnetisierung nach dem Test).
• Orientierung aufzeichnen: Geben Sie immer die Ausrichtung des Tests an (parallel/senkrecht zur Gussoberfläche) weil Anisotropie existiert.

11. Häufige Missverständnisse & Erläuterungen

Sämtliches Graugusseisen ist stark magnetisch

FALSCH. Die magnetische Stärke hängt von der Matrixphase ab: Ferritisches EN-GJL-200 ist stark magnetisch (μᵢ = 380 Hm), während perlitisches EN-GJL-300 mäßig magnetisch ist (μᵢ = 220 Hm). Graphitreiche Sorten (C >3.5%) haben eine schwache magnetische Reaktion.

Der Kohlenstoffgehalt hat keinen Einfluss auf den Magnetismus

FALSCH. Kohlenstoff bildet nichtmagnetischen Graphit – wodurch sich C erhöht 3.0% Zu 3.8% reduziert die Durchlässigkeit um 30–40 % (entscheidend für hochmagnetische Anwendungen).

Grauguss kann Siliziumstahl in Hochleistungsmotoren ersetzen

FALSCH. Siliziumstahl hat μₘ = 5000–8000 H/m (2–4x höher als Grauguss) und geringerer Hystereseverlust – Grauguss ist auf niedrige bis mittlere Leistungen beschränkt (≤5 kW) Anwendungen.

Die Wärmebehandlung hat keinen Einfluss auf die magnetischen Eigenschaften

FALSCH. Durch Glühen wird Perlit in Ferrit umgewandelt, Steigerung von μᵢ um 30–35 % – entscheidend für die Optimierung der magnetischen Leistung in Post-Casting-Komponenten.

12. Abschluss

Grauguss ist magnetisch, aber mikrostrukturempfindliches Material.

Ferritische Mikrostrukturen bieten die beste Permeabilität und den geringsten Hystereseverlust, während perlitische/gekühlte Mikrostrukturen die Permeabilität verringern und die Koerzitivfeldstärke und Hysterese erhöhen.

Graphitflocken führen zu Anisotropie und verringern lokal die magnetische Kontinuität, erhöhen jedoch den elektrischen Widerstand (hilfreich zur Begrenzung von Wirbelströmen).

Für alle magnetisch wichtigen Gießen (MPI, Nähe zu elektromagnetischen Geräten, teilweise Abschirmung) spezifizieren und messen magnetische Parameter (anfänglicher μr, B-H-Schleife, Koerzitivkraft, Orientierung) auf repräsentativen Gutscheinen.

Im Zweifelsfall, Fragen Sie die Gießerei nach B–H-Daten oder führen Sie bei der Eingangskontrolle einfache Durchlässigkeitstests durch.

 

FAQs

Ist Grauguss magnetisch?

Ja. Bei Raumtemperatur ist es ferromagnetisch; Jedoch, seine Permeabilität und Hysterese hängen stark von der Matrix ab (Ferrit vs. Perlit), Graphitgehalt und -verarbeitung.

Kann ich Grauguss als Magnetkernmaterial verwenden??

Nicht für Hochleistungs-AC-Kerne. Grauguss kann Flussmittel transportieren und bei niedrigen Frequenzen eine teilweise Abschirmung bieten, aber Elektrostähle oder weichmagnetische Legierungen liefern viel bessere Ergebnisse, vorhersehbare Leistung mit geringeren Verlusten.

Wie beeinflusst Graphit die MPI-Ergebnisse??

Graphit verringert die lokale Permeabilität und verursacht Anisotropie.

Ferritische Regionen lassen sich leichter magnetisieren und zeigen eine höhere MPI-Empfindlichkeit; Perlitische/gekühlte Bereiche erfordern eine stärkere Magnetisierung und können Remanenz einschließen.

Welche magnetischen Daten sollte ich von einem Lieferanten anfordern??

Anfrage: Vertreter B–H-Schleifen (wenn möglich zwei Ausrichtungen), anfänglicher und maximaler μr, Koerzitivkraft (Hc), Sättigungs-Bs und eine Beschreibung der gemessenen Orientierung/Wärmebehandlung. Fordern Sie auch Metallographiefotos an, die die Graphitmorphologie zeigen.

Wie reduziere ich die remanente Magnetisierung nach MPI??

Verwenden Sie eine kontrollierte AC-Entmagnetisierung (allmählich abnehmendes Wechselfeld) Oder legen Sie ein Gleichstrom-Rückwärtsfeld an, das etwas höher ist als das Remanenzfeld, gemäß ZfP-Standardpraxis. Überprüfen Sie das Restfeld mit einem Gaussmeter.