خواص مغناطیسی چدن خاکستری - راهنمای فنی

مطالب نشان می دهد

1. مقدمه

خاکستری (خاکستری) چدن یک ماده مهندسی فرومغناطیسی است که رفتار مغناطیسی آن توسط ماتریس آهن تنظیم می شود. (فریت / پرلیت / سیمانیت), مورفولوژی و تاریخچه پردازش ورقه های گرافیت.

این ویژگی های ریزساختاری نفوذپذیری را کنترل می کنند, اجبار, اشباع و تلفات - پارامترهایی که برای بازرسی ذرات مغناطیسی مهم هستند, محافظ مغناطیسی, نزدیکی به موتورها/ژنراتورها و رفتار جریان گردابی.

این راهنما فیزیک را توضیح می دهد, راهنمایی های عملی اندازه گیری را ارائه می دهد, محدوده های عددی معمولی را برای ریزساختارهای رایج ارائه می دهد, و نحوه طراحی و آزمایش ریخته گری در زمانی که عملکرد مغناطیسی اهمیت دارد را نشان می دهد.

2. مغناطیس اساسی در مواد آهنی

فرومغناطیس در مواد مبتنی بر آهن از گشتاورهای مغناطیسی هم تراز ناشی می شود (الکترون های جفت نشده) در اتم های آهن.

تحت یک فیلد کاربردی H, دامنه ها تراز می شوند و چگالی شار مغناطیسی تولید می کنند B. رابطه B-H غیر خطی است و هیسترزیس را نشان می دهد.

چند مفهوم ضروری:

ب (چگالی شار مغناطیسی) و اچ (میدان مغناطیسی) با منحنی غیرخطی B-H مرتبط هستند.
نفوذپذیری نسبی (mr) اندازه گیری می کند که یک ماده چقدر راحت تر از خلاء مغناطیسی می شود (μr = B/(μ0H)).
اجبار (Hc) میدان معکوس مورد نیاز برای کاهش B به صفر پس از مغناطیسی است (معیاری برای اینکه چقدر "سخت" مغناطیسی حذف می شود).
ماندگاری (برادر) چگالی شار باقیمانده زمانی است که H به صفر برمی گردد.
چگالی شار اشباع (Bs) حداکثر B است که ماده می تواند حفظ کند (محدود به کسر حجمی فرومغناطیسی).
دمای کوری (تی سی) دمایی است که در بالای آن فرومغناطیس ناپدید می شود (برای فازهای آهن در حدود ~770 درجه سانتیگراد, کمی با آلیاژ اصلاح شده است).

چدن خاکستری به عنوان یک رفتار می کند فرومغناطیس نرم در دمای اتاق (اجبار کم نسبت به آهنرباهای دائمی), اما با تلفات نفوذپذیری و پسماند که به شدت به ریزساختار بستگی دارد.

3. چه چیزی مغناطیس را در چدن خاکستری کنترل می کند؟

خاکستری خاکستری را شامل می شود تکه های گرافیتی در یک ماتریس آهن جاسازی شده است (فریت و/یا پرلیت و گاهی سمنتیت). هر یک از اجزای تشکیل دهنده بر مغناطیس تأثیر می گذارد:

فریت (α-Fe) - آهن مکعبی بدنه. فرومغناطیسی نرم; نفوذپذیری بالاتر و اجبار کم کمک می کند.
مروارید (مخلوطی از فریت و سمنتیت Fe3C) - نواحی پرلیتی حاوی لاملاهای فریت هستند که با سمنتیت در هم آمیخته شده اند;
اینها باعث کاهش نفوذپذیری موثر و افزایش اجباری در مقایسه با فریت خالص می شوند زیرا سمنتیت غیر فرومغناطیسی است. (یا ضعیف مغناطیسی) و پین کردن دامنه را ایجاد می کند.
سیمانیت (رفیق) - به شدت فرومغناطیسی نیست; به عنوان یک رقیق کننده مغناطیسی و محل سنجاق دیواره دامنه عمل می کند.
تکه های گرافیتی - اجزاء ناپیوسته از نظر الکتریکی و ساختاری. گرافیت به خودی خود فرومغناطیسی نیست; ورقه‌ها تداوم مغناطیسی را قطع می‌کنند و غلظت‌های تنش موضعی و میدان‌های مغناطیس‌زدایی داخلی ایجاد می‌کنند.
نتیجه خالص کاهش نفوذپذیری موثر و افزایش تلفات هیسترزیس نسبت به یک ماتریس کاملا فریتی است..

بنابراین: فریت بیشتر → μr بالاتر, اجبار کمتر; پرلیت/سیمانیت بیشتر → میکروr کمتر, از دست دادن اجبار و هیسترزیس بالاتر.

مورفولوژی گرافیت (اندازه, جهت گیری, کسر حجمی) ناهمسانگردی و پراکندگی شار مغناطیسی را کنترل می کند.

4. پارامترهای مغناطیسی کلیدی و نحوه اندازه گیری آنها

منحنی B–H / حلقه هیسترزیس - با نفوذ سنج یا قاب اپشتاین اندازه گیری می شود (برای فولادهای لمینیت) و μr را می دهد(اچ), Hc, برادر, و Bs.
نفوذپذیری نسبی, mr (اولیه و حداکثر) - μr اولیه در H کوچک (پاسخ سیگنال کوچک را دیکته می کند) و حداکثر μr در زمینه های متوسط.
اجبار Hc (A/m یا Oe) و چگالی شار باقی می ماند Br (تی) - نشان دهید که رفتار مغناطیسی چقدر "نرم" یا "سخت" است.
آهن خاکستری یک فرومغناطیس نرم است (Hc پایین) نسبت به مواد مغناطیسی دائمی، اما معمولاً سخت تر از فولادهای کم کربن آنیل شده اگر محتوای پرلیت/سیمانیت زیاد باشد..
چگالی شار اشباع Bs (تی) - در H بالا اندازه گیری شد; Bs آهن خاکستری به دلیل فازهای غیر مغناطیسی و تخلخل کمتر از آهن خالص است.
دمای کوری Tc - برای فازهای آهن ~770 درجه سانتیگراد; آلیاژها و ریزساختار Tc را اندکی تغییر می دهند; اندازه گیری با آنالیز ترمو مغناطیسی.

ابزار اندازه گیری معمولی:

قابل حمل متر نفوذپذیری برای بررسی سریع فروشگاه.
مغناطیس سنج نمونه ارتعاشی (VSM) و هیستریسگراف برای حلقه های آزمایشگاهی B-H.
پروب های جریان گردابی و آنالایزرهای امپدانس برای نفوذپذیری و تلفات وابسته به فرکانس.

5. خواص مغناطیسی گریدهای چدن خاکستری معمولی

در زیر یک جمع و جور است, جدول داده های متمرکز بر مهندسی نشان می دهد نماینده محدوده خاصیت مغناطیسی برای ریزساختارهای معمولی آهن خاکستری و برای سه درجه معمولاً مشخص شده است.

از آنجا که آهنرباهای چدنی به شدت وابسته به فرآیند هستند، این ارقام محدوده‌هایی هستند که برای طراحی اولیه در نظر گرفته شده‌اند - برای قطعات مهم مغناطیسی، حلقه‌های B-H را در کوپن‌های نماینده درخواست می‌کنند..

درجه / ریزساختار	ریزساختار معمولی (گرافیت : ماتریس)	μr اولیه (تقریبا)	حداکثر μr (تقریبا)	اجبار Hc (تقریبا)	اشباع Bs (تقریبا)	مقاومت الکتریکی (نسبی)	پیامدهای معمولی
آهن خاکستری فریتی (فریت بالا)	گرافیت پوسته (~2-4٪ حجم) تا حد زیادی در فریتی ماتریس	200 – 1 000	1 000 – 2 500	50 – 200 A/M (≈0.6-2.5 Oe)	1.30 – 1.70 تی	~2 - 4× فولاد ملایم	بالاترین نفوذپذیری / کمترین میزان کاهش هیسترزیس آهن های خاکستری; بهترین برای حساسیت MPI و مسیرهای شار استاتیک کم تلفات
en-gjl-200 (نرم تر, فریت بیشتر)	گرافیت پوسته, ماتریس غنی از فریت	150 – 600	600 – 1 500	80 – 300 A/M (≈1.0-3.8 Oe)	1.20 – 1.60 تی	~2 - 4× فولاد ملایم	به راحتی مغناطیسی می شود; مناسب برای محفظه هایی که در آن مسیرهای مغناطیسی یا MPI مورد نیاز است
en-gjl-2550 (ترکیب تجاری معمولی)	گرافیت پوسته, فریت/پرلیت مخلوط ماتریس	50 – 300	300 – 1 000	200 – 800 A/M (≈2.5-10 Oe)	1.00 – 1.50 تی	~ 2 - 5× فولاد ملایم	نفوذپذیری متوسط; خواص حساس به کسر پرلیت و مورفولوژی گرافیت (درجه مهندسی مشترک)
en-gjl-300 (استحکام بالاتر; پرلیت بیشتر)	گرافیت پوسته, سرشار از پرلیت ماتریس	20 – 150	150 – 600	400 – 1 500 A/M (≈5.0-19 Oe)	0.80 – 1.30 تی	~ 3 - 6 × فولاد ملایم	میکروr کمتر و از دست دادن هیسترزیس بیشتر; به MMF مغناطیسی بزرگتر برای MPI یا شار نیاز دارد
سرد شده / به شدت پرلیت / سیمانی	مناطق سرد گرافیت/آهن سفید, سمنتیت بالا	10 – 80	80 – 300	800 – 3 000 A/M (≈10-38 Oe)	0.7 – 1.2 تی	~ 3 - 8 × فولاد ملایم	کمترین نفوذپذیری, بالاترین اجبار / هیسترزیس; برای مدارهای مغناطیسی ضعیف است, اغلب پس از مغناطیس شدن بالاترین باقیمانده است

نحوه خواندن و استفاده از این جدول (راهنمایی عملی)

μr اولیه نفوذپذیری سیگنال کوچک است - مربوط به سنسورها, میدان های DC کوچک و اولین مرحله مغناطیسی در NDT.
حداکثر μr نشان می دهد که مواد با چه سرعتی شار را قبل از نزدیک شدن به اشباع متمرکز می کند - هنگام پیش بینی مسیرهای نشتی یا شنت مهم است..
اجبار (Hc) نشان می دهد که ماده پس از مغناطیسی شدن چقدر "سخت" است که مغناطیس زدایی شود (Hc بالاتر → میدان باقیمانده بیشتر پس از MPI). A/m → Oe را با تقسیم بر ≈79.577 تبدیل کنید (به عنوان مثال, 800 A/m ≈ 10.05 اوه).
اشباع Bs حد بالایی عملی برای چگالی شار است; Bs آهن خاکستری کمتر از آهن خالص و بسیاری از فولادها است زیرا گرافیت و سیمانیت غیر مغناطیسی کسر حجمی فرومغناطیسی را کاهش می دهند..
مقاومت نسبی به عنوان مضربی از مقاومت فولاد ملایم داده می شود (کیفی).
مقاومت بیشتر جریان های گردابی را در فرکانس های متناوب کاهش می دهد - یک مزیت برای محفظه های چرخشی ماشین آلات یا جایی که تلفات گردابی می تواند مشکل ساز باشد..

6. چگونه شیمی, ریزساختار و پردازش خواص مغناطیسی را تغییر می دهد

آلیاژی:

محتوای کربن & گرافیتی شدن: کربن آزاد بالاتر ← گرافیت بیشتر ← μr و Bs کاهش یافته است.
سیلیکون گرافیتی شدن را ترویج می کند و مقاومت را افزایش می دهد; Si متوسط در مقایسه با آهن خالص باعث کاهش نفوذپذیری می شود.
گوگرد, فسفر و سایر عناصر کمیاب بر مورفولوژی گرافیت و در نتیجه تداوم مغناطیسی تأثیر می گذارد.
عناصر آلیاژی مانند Ni, Cr, منگنز فعل و انفعالات تبادل مغناطیسی را تغییر می دهد و می تواند دمای کوری را کاهش دهد یا اجبار را اصلاح کند.

عملیات حرارتی:

آنیل کردن (فریت کردن) کسر فریت را افزایش می دهد, μr را افزایش می دهد و اجبار را کاهش می دهد (پاسخ مغناطیسی را نرم می کند).
عادی سازی / خنک شدن سریعتر پرلیت/سمنتیت را افزایش می دهد ← μr را کاهش می دهد و Hc را افزایش می دهد.
گرمایش یا جوشکاری موضعی می تواند ناهمگنی مغناطیسی و تنش پسماند ایجاد کند, که نفوذپذیری موضعی را تغییر می دهد و می تواند به طور غیر مخرب شناسایی شود.

تغییر شکل مکانیکی:

کار سرد باعث نابجایی و تنش پسماند می شود ← سنجاق دیواره دامنه باعث افزایش اجبار و کاهش نفوذپذیری می شود. کاهش استرس این اثرات را کاهش می دهد.

تخلخل & اجزاء:

منافذ و آخال های غیر مغناطیسی مسیرهای شار را قطع می کنند و μr و Bs موثر را کاهش می دهند. آنها همچنین می توانند هیسترزیس و از دست دادن را افزایش دهند.

7. اثرات ناهمسانگردی و گرافیت - چرا جهت گیری ریخته گری مهم است

تکه های گرافیت تمایل دارند جهت عمود بر جریان گرما در طول انجماد, اغلب تقریباً به موازات سطوح قالب تراز می شوند. تکه ها تولید می کنند ناهمسانگردی مغناطیسی:

سفر شار به موازات پرک ها با میدان های مغناطیس زدایی متفاوتی نسبت به فلکس های متقاطع شار مواجه می شود عمود به هواپیمای آنها.
بنابراین mr اندازه گیری شد و طیف نفوذپذیری می تواند وابسته به جهت باشد; در عمل این بدان معناست که مدارهای مغناطیسی با استفاده از قطعات ریخته گری باید جهت را در نظر بگیرند - به عنوان مثال., تراز کردن مسیرهای شار برای عبور از جهت نفوذپذیرتر در صورت امکان.

تکه های گرافیت همچنین زمینه های کرنش موضعی ایجاد می کنند, که بیشتر بر حرکت دیواره دامنه و در نتیجه رفتار هیسترزیس تأثیر می گذارد.

8. مقاومت الکتریکی, جریان های گردابی و تلفات مغناطیسی در آهن خاکستری

مقاومت: چدن خاکستری معمولا دارد مقاومت الکتریکی بالاتر از فولاد کم کربن، زیرا ورقه های گرافیت و ناخالصی ها مسیرهای الکترون را مختل می کنند.
از نظر کیفی: مقاومت آهن خاکستری است چندین× فولاد کم کربن معمولی. مقاومت بالاتر، مقدار جریان گردابی را برای یک میدان مغناطیسی متناوب معین کاهش می دهد.
از دست دادن جریان گردابی: برای مغناطیسی AC, ضرر = از دست دادن هیسترزیس + از دست دادن جریان گردابی.
به دلیل مقاومت بالاتر و ساختار پوسته پوسته شدن, تلفات گردابی در آهن خاکستری اغلب کمتر از فولاد متراکم با نفوذپذیری مشابه است, در جاهایی که میدان های مغناطیسی با فرکانس کم تا متوسط وجود دارد و تلفات گردابی اهمیت دارد، آهن خاکستری را نسبتاً جذاب می کند..
با این حال, دانه های گرافیت می توانند ریزمدارهایی ایجاد کنند که پیش بینی تلفات را پیچیده می کند.
از دست دادن هیسترزیس: با پینینگ دیواره پرلیت/سیمانیت و دامنه افزایش می یابد; آهن خاکستری با کسر پرلیت بالا معمولاً نسبت به چدن فریتی افت پسماند بیشتری دارد..

مفهوم طراحی: برای مدارهای مغناطیسی فرکانس پایین (DC یا استاتیک), آهن خاکستری می تواند شار را حمل کند اما با هسته های فولادی الکتریکی برای مدارهای مغناطیسی AC با راندمان بالا مطابقت ندارد..

برای قطعاتی که از دست دادن مغناطیسی ثانویه است (محفظه های موتور در نزدیکی موتورها, سطوح نصب مغناطیسی), ترکیب آهن خاکستری از نفوذپذیری متوسط و کاهش تلفات گردابی می تواند قابل قبول باشد.

9. کاربردها و مفاهیم کاربردی

بازرسی ذرات مغناطیسی (MPI)

آهن خاکستری است قابل مغناطیسی شدن و به طور گسترده با استفاده از MPI برای عیوب سطح و نزدیک به سطح بازرسی شده است.
پاسخ مغناطیسی (سهولت مغناطش و جریان مورد نیاز) به نفوذپذیری بستگی دارد - ریخته گری های فریتی راحت تر از نمونه های پرلیتی مغناطیسی می شوند. جهت گیری میدان نسبت به دانه های گرافیتی از نظر حساسیت اهمیت دارد.

موتور & محفظه تولید کننده, قاب ها و محفظه ها

محفظه های آهن خاکستری معمولاً برای پشتیبانی مکانیکی در نزدیکی ماشین های مغناطیسی استفاده می شود. نفوذپذیری مغناطیسی آنها می تواند باعث شنت مغناطیسی شود یا الگوهای میدان سرگردان را تغییر دهد.
طراحان باید جفت مغناطیسی را در نظر بگیرند (به عنوان مثال, جریان های القایی, نشت مغناطیسی) هنگامی که محفظه ها به سیم پیچ های فعال یا آهنرباهای دائمی نزدیک هستند.

EMI / محافظ مغناطیسی

آهن خاکستری به دلیل نفوذپذیری می تواند به عنوان یک مسیر مغناطیسی یا سپر جزئی برای میدان های فرکانس پایین عمل کند., اما آلیاژهای مغناطیسی نرم تخصصی یا فولادهای الکتریکی چند لایه در مواردی که اثربخشی محافظ بالا و تلفات کم مورد نیاز است ترجیح داده می شود.
مقاومت بالاتر آهن خاکستری در فرکانس های متوسط کمک می کند, اما عدم نفوذپذیری کنترل شده و ناهمسانگردی عملکرد را محدود می کند.

تست جریان گردابی و کوپلینگ EMI

افزایش مقاومت برای کاهش جریان های گردابی در محیط های AC مفید است; با این حال, ورقه های گرافیت و تخلخل، پیش بینی دقیق اثر پوست و مجموعه توزیع گردابی را انجام می دهد.

مکان سنسور مغناطیسی و میدان های سرگردان

مهندسان با استفاده از fluxgate, سنسورهای هال یا القایی در نزدیکی قطعات ریخته گری باید ناهنجاری های مغناطیسی موضعی ناشی از ریزساختار ناهمگن چدن و تنش های پسماند را در نظر بگیرند..

10. بهترین روش اندازه گیری و ملاحظات NDT

چه زمانی اندازه گیری شود: نفوذپذیری یا منحنی B-H را برای ریخته گری های مغناطیسی بحرانی مشخص کنید (محفظه های بلبرینگ در محرک های الکترومغناطیسی, فریم هایی که بخشی از یک مدار مغناطیسی را تشکیل می دهند).
نحوه اندازه گیری: کوپن های کوچک (محل نمایندگی و جهت گیری) در آزمایشگاه با نفوذ سنج یا VSM اندازه گیری می شود;
برای پذیرش مغازه, از مترهای نفوذپذیری قابل حمل یا تست های حلقه/یقه استفاده می شود.
هر دو را گزارش کنید μr اولیه و μr در زمینه مربوطه (به عنوان مثال, 0.5-1.0 T) به علاوه حلقه هیسترزیس اگر تلفات AC مهم باشد.
برای MPI: جریان مغناطیسی را به کمترین مقدار مورد نیاز برای آشکار کردن عیوب بدون تحریک باقی ماندن ناخواسته کالیبره کنید;
به یاد داشته باشید که تفاوت های اجباری می تواند حفظ مغناطیسی را تغییر دهد (بر مغناطیس زدایی پس از آزمایش تأثیر می گذارد).
جهت ضبط: همیشه جهت آزمون را گزارش دهید (موازی/عمود بر سطح ریخته گری) زیرا ناهمسانگردی وجود دارد.

11. تصورات غلط رایج & توضیحات

تمام چدن خاکستری بسیار مغناطیسی است

دروغ. قدرت مغناطیسی به فاز ماتریس بستگی دارد: Ferritic EN-GJL-200 به شدت مغناطیسی است (مᵢ = 380 H/M), در حالی که پرلیت EN-GJL-300 نسبتاً مغناطیسی است (مᵢ = 220 H/M). نمرات غنی از گرافیت (سی >3.5%) پاسخ مغناطیسی ضعیفی دارند.

محتوای کربن بر روی مغناطیس تأثیر نمی گذارد

دروغ. کربن گرافیت غیر مغناطیسی را تشکیل می دهد و C را از آن افزایش می دهد 3.0% به 3.8% نفوذپذیری را 30-40٪ کاهش می دهد (برای کاربردهای با مغناطیسی بالا حیاتی است).

چدن خاکستری می تواند جایگزین فولاد سیلیکونی در موتورهای پرقدرت شود

دروغ. فولاد سیلیکونی دارای μₘ = 5000-8000 H/m است (2-4 برابر بیشتر از چدن خاکستری) و کاهش هیسترزیس کمتر - چدن خاکستری به توان کم تا متوسط محدود می شود (≤5 کیلو وات) برنامه های کاربردی.

عملیات حرارتی هیچ تاثیری بر خواص مغناطیسی ندارد

دروغ. بازپخت پرلیت را به فریت تبدیل می کند, افزایش μᵢ به میزان 30 تا 35 درصد - برای بهینه سازی عملکرد مغناطیسی در قطعات پس از ریخته گری حیاتی است..

12. نتیجه گیری

چدن خاکستری مغناطیسی است, اما مواد حساس به ریزساختار.

ریزساختارهای فریتی بهترین نفوذپذیری و کمترین افت هیسترزیس را دارند, در حالی که ریزساختارهای پرلیتی/سرد شده نفوذپذیری را کاهش می دهند و اجبار و پسماند را افزایش می دهند..

تکه های گرافیت ناهمسانگردی را ایجاد می کنند و به صورت موضعی تداوم مغناطیسی را کاهش می دهند اما مقاومت الکتریکی را افزایش می دهند. (برای محدود کردن جریان های گردابی مفید است).

برای هر مغناطیسی مهم است ریخته گری (MPI, نزدیکی به دستگاه های الکترومغناطیسی, محافظ جزئی) مشخص و اندازه گیری کنید پارامترهای مغناطیسی (μr اولیه, حلقه B–H, اجبار, جهت گیری) در کوپن های نمایندگی.

وقتی شک دارید, داده های B-H را از ریخته گری بخواهید یا تست های نفوذپذیری ساده را در طول بازرسی ورودی انجام دهید.

سوالات متداول

چدن خاکستری مغناطیسی است?

بله. در دمای اتاق فرومغناطیسی است; با این حال, نفوذپذیری و هیسترزیس آن به شدت به ماتریس بستگی دارد (فریت در مقابل پرلیت), محتوای گرافیت و پردازش.

آیا می توانم از آهن خاکستری به عنوان ماده مغناطیسی استفاده کنم؟?

نه برای هسته های AC با کارایی بالا. آهن خاکستری می تواند شار را حمل کند و در فرکانس های پایین محافظ جزئی ایجاد کند, اما فولادهای الکتریکی یا آلیاژهای مغناطیسی نرم بسیار بهتر هستند, عملکرد قابل پیش بینی با تلفات کمتر.

گرافیت چگونه بر نتایج MPI تأثیر می گذارد?

گرافیت نفوذپذیری موضعی را کاهش می دهد و باعث ناهمسانگردی می شود.

نواحی فریتی راحت تر مغناطیس می شوند و حساسیت MPI بالاتری را نشان می دهند; نواحی پرلیتی/سرد شده نیاز به مغناطیسی قوی‌تری دارند و ممکن است باقی ماندن را به دام بیندازند.

چه داده های مغناطیسی را باید از یک تامین کننده درخواست کنم?

درخواست کنید: نماینده حلقه های B-H (در صورت امکان دو جهت), اولیه و حداکثر μr, اجبار (Hc), Bs اشباع و توصیف جهت اندازه گیری / عملیات حرارتی. همچنین عکس های متالوگرافی را که مورفولوژی گرافیت را نشان می دهد درخواست کنید.

چگونه می توانم مغناطش پسماند را پس از MPI کاهش دهم؟?

از مغناطیس زدایی AC کنترل شده استفاده کنید (میدان متناوب به تدریج کاهش می یابد) یا یک میدان معکوس DC کمی بالاتر از میدان باقیمانده اعمال کنید, در عمل استاندارد NDT. میدان باقیمانده را با یک گازسنج بررسی کنید.