Propiedades magnéticas del hierro fundido gris

1. Introducción

Gris (gris) El hierro fundido es un material de ingeniería ferromagnético cuyo comportamiento magnético lo establece la matriz de hierro. (ferrita/perlita/cementita), Morfología de las escamas de grafito e historia del procesamiento..

Esas características microestructurales controlan la permeabilidad., coercitividad, Saturación y pérdidas: parámetros importantes para la inspección de partículas magnéticas., blindaje magnético, proximidad a motores/generadores y comportamiento de corrientes parásitas.

Esta guía explica la física., proporciona una guía práctica de medición, presenta rangos numéricos típicos para microestructuras comunes, y muestra cómo diseñar y probar piezas fundidas cuando el rendimiento magnético es importante.

2. Magnetismo básico en materiales ferrosos.

Ferromagnetismo en materiales a base de hierro surge de momentos magnéticos alineados (electrones desapareados) en átomos de Fe.

Bajo un campo aplicado H, los dominios se alinean produciendo una densidad de flujo magnético B. La relación B – H no es lineal y muestra histéresis..

Algunos conceptos esenciales:

• B (densidad de flujo magnético) y h (campo magnetizante) están relacionados por la curva no lineal B – H.
• Permeabilidad relativa (μr) Mide cuánto más fácil es magnetizar un material que el vacío. (µr = B/(µ0H)).
• coercitividad (HC) es el campo inverso necesario para reducir B a cero después de la magnetización (una medida de qué tan “difícil” es eliminar la magnetización).
• remanencia (hermano) es la densidad de flujo residual cuando H vuelve a cero.
• Densidad de flujo de saturación (Bs) es el B máximo que el material puede soportar (limitado por la fracción de volumen ferromagnético).
• Curie temperatura (tc) es la temperatura por encima de la cual desaparece el ferromagnetismo (para fases de hierro alrededor de ~770 °C, modificado ligeramente mediante aleación).

La fundición gris se comporta como ferroimán suave a temperatura ambiente (Baja coercitividad en relación con los imanes permanentes.), pero con pérdidas de permeabilidad e histéresis que dependen en gran medida de la microestructura..

3. ¿Qué controla el magnetismo en la fundición gris?

Hierro fundido gris comprende copos de grafito incrustado en una matriz de hierro (ferrita y/o perlita y a veces cementita). Cada constituyente afecta el magnetismo.:

• Ferrito (α-Fe) — hierro cúbico centrado en el cuerpo. Ferromagnético suave; Aporta mayor permeabilidad y baja coercitividad..
• Perlita (mezcla de ferrita y cementita Fe₃C) — las regiones perlíticas contienen láminas de ferrita intercaladas con cementita;
  Estos reducen la permeabilidad efectiva y aumentan la coercitividad en comparación con la ferrita pura porque la cementita no es ferromagnética. (o débilmente magnético) y crea fijación de dominio.
• Cemento (Fe₃c) — no fuertemente ferromagnético; Actúa como diluyente magnético y sitio de fijación de la pared del dominio..
• Copos de grafito — inclusiones eléctrica y estructuralmente discontinuas. El grafito en sí no es ferromagnético.; Las escamas interrumpen la continuidad magnética y crean concentraciones de tensión locales y campos desmagnetizadores internos..
  El resultado neto es una reducción de la permeabilidad efectiva y un aumento de las pérdidas por histéresis en relación con una matriz totalmente ferrítica..

Por lo tanto: más ferrita → mayor μr, menor coercitividad; más perlita/cementita → menor μr, mayor coercitividad y pérdida de histéresis.

Morfología del grafito (tamaño, orientación, fracción de volumen) Controla la anisotropía y la dispersión del flujo magnético..

4. Parámetros magnéticos clave y cómo se miden

• curva B-H / bucle de histéresis — medido con un permeámetro o marco de Epstein (para aceros laminados) y da μr(h), HC, hermano, y B.
• Permeabilidad relativa, μr (inicial y máximo) — μr inicial en H pequeño (dicta la respuesta de pequeña señal) y μr máximo en campos moderados.
• Coercitividad Hc (A/m o Oe) y permanecer densidad de flujo Br (t) — indicar qué tan “suave” o “duro” es el comportamiento magnético.
  El hierro gris es un ferroimán blando. (Hc baja) en relación con los materiales de imán permanente, pero generalmente más duros que los aceros recocidos con bajo contenido de carbono si el contenido de perlita/cementita es alto.
• Densidad de flujo de saturación Bs (t) — medido a alta H; El Bs del hierro gris es más bajo que el del hierro puro debido a sus fases no magnéticas y a su porosidad..
• Temperatura de Curie Tc — para fases de hierro ~770 °C; Las aleaciones y la microestructura cambian ligeramente la Tc.; medido con análisis termomagnético.

Herramientas de medición típicas:

• Portátil medidores de permeabilidad para controles rápidos de la tienda.
• Magnetómetro de muestra vibratorio (VSM) y histéresis gráfica para bucles B–H de laboratorio.
• Sondas de corrientes parásitas y analizadores de impedancia para permeabilidad y pérdida dependientes de la frecuencia.

5. Propiedades magnéticas de los grados típicos de hierro fundido gris

A continuación se muestra un compacto, tabla de datos centrada en ingeniería que muestra representante rangos de propiedades magnéticas para microestructuras comunes de hierro gris y para tres grados comúnmente especificados.

Debido a que el magnetismo del hierro fundido depende en gran medida del proceso, estas cifras son rangos destinados al diseño preliminar; para piezas magnéticamente críticas, solicite bucles B-H en cupones representativos..

Cómo leer y utilizar esta tabla (orientación práctica)

• µr inicial es la permeabilidad de señal pequeña, relevante para sensores, Pequeños campos de CC y el primer paso de magnetización en END.
• Máximo µr indica con qué facilidad el material concentrará el flujo antes de acercarse a la saturación, lo cual es importante al predecir rutas de fuga o derivaciones..
• coercitividad (HC) muestra qué tan "difícil" es desmagnetizar el material después de ser magnetizado (mayor Hc → más campo remanente después de MPI). Convertir A/m → Oe dividiendo por ≈79.577 (p.ej., 800 A/m ≈ 10.05 oye).
• Bs de saturación es el límite superior práctico para la densidad de flujo; El Bs del hierro gris es más bajo que el del hierro puro y el de muchos aceros porque el grafito no magnético y la cementita reducen la fracción de volumen ferromagnético..
• resistividad relativa se da como un múltiplo de la resistividad del acero dulce (cualitativo).
  Una resistividad más alta reduce las corrientes parásitas en frecuencias de CA, una ventaja para las carcasas de maquinaria giratoria o donde las pérdidas parásitas podrían ser un problema..

6. como la quimica, La microestructura y el procesamiento cambian las propiedades magnéticas.

aleación:

• Contenido de carbono & grafitización: mayor carbono libre → más grafito → μr y Bs reducidos.
• Silicio Promueve la grafitización y aumenta la resistividad.; El Si moderado tiende a reducir la permeabilidad frente al hierro puro..
• Azufre, fósforo y otros oligoelementos Afecta la morfología del grafito y por tanto la continuidad magnética..
• Elementos de aleación como el Ni, cr, Minnesota cambiar las interacciones de intercambio magnético y puede reducir la temperatura de Curie o modificar la coercitividad.

Tratamiento térmico:

• Recocido (ferritizar) aumenta la fracción de ferrita, aumenta μr y reduce la coercitividad (suaviza la respuesta magnética).
• Normalizando / enfriamiento más rápido aumenta perlita/cementita → reduce μr y aumenta Hc.
• Calentamiento o soldadura localizados Puede crear falta de homogeneidad magnética y tensión residual., que cambia la permeabilidad local y puede detectarse de forma no destructiva.

Deformación mecánica:

• El trabajo en frío introduce dislocaciones y tensiones residuales → la fijación de la pared del dominio aumenta la coercitividad y reduce la permeabilidad. El alivio del estrés reduce estos efectos..

Porosidad & inclusiones:

• Los poros y las inclusiones no magnéticas interrumpen las rutas de flujo y reducen los μr y Bs efectivos.. También pueden aumentar la histéresis y la pérdida..

7. Anisotropía y efectos de escamas de grafito: por qué es importante la orientación de la fundición

Las escamas de grafito tienden a orientarse perpendicular al flujo de calor durante la solidificación, a menudo se alinean aproximadamente paralelas a las superficies del molde. Los copos producen anisotropía magnética:

• Flujo viajando paralelo a las escamas encuentra campos desmagnetizantes diferentes a los de las escamas de flujo cruzado perpendicular a su avión.
• De este modo μr medido y espectros de permeabilidad puede depender de la dirección; en la práctica, esto significa que los circuitos magnéticos que utilizan piezas fundidas deben considerar la orientación, p., alinear las rutas de flujo para atravesar la dirección más permeable cuando sea posible.

Las escamas de grafito también crean campos de tensión locales., que afectan aún más el movimiento de la pared del dominio y, por lo tanto, el comportamiento de histéresis.

8. resistividad eléctrica, Corrientes parásitas y pérdidas magnéticas en hierro gris.

• Resistividad: El hierro fundido gris normalmente tiene mayor resistividad eléctrica que el acero con bajo contenido de carbono porque las escamas de grafito y las impurezas interrumpen los caminos de los electrones..
  Cualitativamente: La resistividad del hierro gris es varios× el del típico acero bajo en carbono. Una resistividad más alta reduce la magnitud de las corrientes parásitas para un campo magnético alterno dado.
• Pérdida por corrientes parásitas: Para magnéticos de CA, pérdida = pérdida de histéresis + pérdida por corrientes parásitas.
  Debido a la mayor resistividad y la estructura de las escamas., Las pérdidas por remolinos en el hierro gris suelen ser menores que en el acero denso de permeabilidad similar., hacer que el hierro gris sea comparativamente atractivo donde existen campos magnéticos de frecuencia baja a moderada y las pérdidas por remolinos son importantes.
  Sin embargo, Las escamas de grafito pueden crear microcircuitos que complican la predicción de pérdidas..
• Pérdida de histéresis: Incrementado por perlita/cementita y anclaje de pared de dominio; El hierro gris con alta fracción de perlita generalmente tiene una mayor pérdida por histéresis que el hierro fundido ferrítico..

Implicación del diseño: para circuitos magnéticos de baja frecuencia (CC o estática), El hierro gris puede transportar fundente, pero no coincide con los núcleos de acero eléctrico para circuitos magnéticos de CA de alta eficiencia..

Para componentes donde la pérdida magnética es secundaria (carcasas de motor cerca de motores, superficies de montaje magnéticas), La combinación del hierro gris de permeabilidad moderada y pérdida por remolinos reducida puede ser aceptable..

9. Aplicaciones prácticas e implicaciones.

Inspección de partículas magnéticas (IPM)

• El hierro gris es magnetizable y ampliamente inspeccionado utilizando MPI para detectar defectos superficiales y cercanos a la superficie.
  La respuesta magnética (facilidad de magnetización y corriente requerida) Depende de la permeabilidad: las piezas ferríticas son más fáciles de magnetizar que las perlíticas.. La orientación del campo en relación con las escamas de grafito influye en la sensibilidad.

Motor & carcasa del generador, marcos y cerramientos

• Las carcasas de hierro gris se utilizan comúnmente como soporte mecánico cerca de máquinas magnéticas.. Su permeabilidad magnética puede provocar derivaciones magnéticas o alterar los patrones de campos parásitos..
  Los diseñadores deben tener en cuenta el acoplamiento magnético. (p.ej., corrientes inducidas, fuga magnética) cuando los gabinetes están cerca de bobinas activas o imanes permanentes.

EMI / blindaje magnético

• El hierro gris puede actuar como camino magnético o escudo parcial para campos de baja frecuencia debido a su permeabilidad., pero Aleaciones magnéticas blandas especializadas o aceros eléctricos laminados. Se prefieren cuando se requiere una alta efectividad de blindaje y bajas pérdidas..
  La mayor resistividad del hierro gris ayuda en frecuencias intermedias, pero la falta de permeabilidad controlada y anisotropía limitan el rendimiento..

Pruebas de corrientes parásitas y acoplamiento EMI

• Una mayor resistividad es ventajosa para reducir las corrientes parásitas en entornos de CA.; sin embargo, Las escamas de grafito y la porosidad hacen que la predicción detallada del efecto de la piel y la distribución de remolinos sean complejas..

Ubicación del sensor magnético y campos perdidos

• Ingenieros que utilizan fluxgate, Los sensores Hall o inductivos cerca de piezas fundidas deben considerar anomalías magnéticas locales provenientes de una microestructura no homogénea del hierro fundido y tensiones residuales..

10. Mejores prácticas de medición y consideraciones de END

• cuando medir: especificar permeabilidad o curva B-H para piezas fundidas magnéticamente críticas (Alojamientos de rodamientos en actuadores electromagnéticos., Marcos que forman parte de un circuito magnético.).
• como medir: cupones pequeños (ubicación y orientación representativa) medido en laboratorio con un permeámetro o VSM;
  para aceptación en tienda, Se utilizan medidores de permeabilidad portátiles o pruebas de anillo/collar..
  Reportar ambos μr inicial y μr en el campo relevante (p.ej., 0.5–1,0 T) más bucle de histéresis si las pérdidas de CA son importantes.
• Para IPM: Calibre la corriente de magnetización al nivel más bajo requerido para revelar defectos sin estimular remanencia no deseada.;
  Recuerde que las diferencias de coercitividad pueden cambiar la retención de la magnetización. (afecta la desmagnetización después de la prueba).
• Orientación del registro: informar siempre la orientación de la prueba (paralelo/perpendicular a la superficie de fundición) porque existe la anisotropía.

11. Conceptos erróneos comunes & Aclaraciones

Todo el hierro fundido gris es altamente magnético

FALSO. La fuerza magnética depende de la fase de la matriz.: Ferrítico EN-GJL-200 es fuertemente magnético (μᵢ = 380 altura/metro), mientras que el perlítico EN-GJL-300 es moderadamente magnético (μᵢ = 220 altura/metro). Calidades ricas en grafito (do >3.5%) tienen una respuesta magnética débil.

El contenido de carbono no afecta el magnetismo

FALSO. El carbono forma grafito no magnético, aumentando el C de 3.0% a 3.8% reduce la permeabilidad entre un 30% y un 40% (crítico para aplicaciones altamente magnéticas).

El hierro fundido gris puede reemplazar el acero al silicio en motores de alta potencia

FALSO. El acero al silicio tiene μₘ = 5000–8000 H/m (2–4 veces más alto que el hierro fundido gris) y menor pérdida por histéresis: el hierro fundido gris se limita a potencias de baja a media (≤5 kilovatios) aplicaciones.

El tratamiento térmico no tiene impacto sobre las propiedades magnéticas

FALSO. El recocido convierte la perlita en ferrita, aumentar μᵢ entre un 30% y un 35%, fundamental para optimizar el rendimiento magnético en componentes posfundidos.

12. Conclusión

El hierro fundido gris es magnético., pero material sensible a la microestructura.

Las microestructuras ferríticas brindan la mejor permeabilidad y la menor pérdida por histéresis., mientras que las microestructuras perlíticas/enfriadas reducen la permeabilidad y aumentan la coercitividad y la histéresis..

Las escamas de grafito introducen anisotropía y reducen localmente la continuidad magnética pero aumentan la resistividad eléctrica. (útil para limitar las corrientes parásitas).

Para cualquier magnéticamente importante fundición (IPM, proximidad a dispositivos electromagnéticos, blindaje parcial) especificar y medir parámetros magnéticos (μr inicial, Bucle B-H, coercitividad, orientación) en cupones representativos.

En caso de duda, Solicite a la fundición datos B-H o realice pruebas de permeabilidad simples durante la inspección entrante..

 

Preguntas frecuentes

¿Es magnético el hierro fundido gris??

Sí. Es ferromagnético a temperatura ambiente.; sin embargo, su permeabilidad e histéresis dependen en gran medida de la matriz. (ferrita vs perlita), Contenido y procesamiento de grafito..

¿Puedo utilizar hierro gris como material de núcleo magnético??

No apto para núcleos de CA de alto rendimiento. El hierro gris puede transportar flujo y proporcionar blindaje parcial a bajas frecuencias., pero los aceros eléctricos o las aleaciones magnéticas blandas dan mucho mejor, Rendimiento predecible con menores pérdidas..

¿Cómo afecta el grafito a los resultados del MPI??

El grafito reduce la permeabilidad local y provoca anisotropía..

Las regiones ferríticas se magnetizan más fácilmente y muestran una mayor sensibilidad MPI; Las áreas perlíticas/enfriadas requieren una magnetización más fuerte y pueden atrapar remanencia..

¿Qué datos magnéticos debo solicitar a un proveedor??

Pedido: representante Bucles B-H (dos orientaciones si es posible), μr inicial y máximo, coercitividad (HC), saturación Bs y una descripción de la orientación medida/tratamiento térmico. Solicite también fotografías de metalografía que muestren la morfología del grafito..

¿Cómo reduzco la magnetización remanente después de MPI??

Utilice desmagnetización de CA controlada (campo alterno que disminuye gradualmente) o aplicar un campo inverso de CC ligeramente superior al campo remanente, según la práctica estándar de END. Verificar el campo residual con un gaussímetro.