Propriétés magnétiques de la fonte grise

1. Introduction

Gris (gris) la fonte est un matériau d'ingénierie ferromagnétique dont le comportement magnétique est défini par la matrice de fer (ferrite/perlite/cémentite), Morphologie des flocons de graphite et historique du traitement.

Ces caractéristiques microstructurales contrôlent la perméabilité, coercitivité, saturation et pertes — paramètres importants pour l’inspection magnétoscopique, blindage magnétique, proximité des moteurs/générateurs et comportement par courants de Foucault.

Ce guide explique la physique, donne des conseils pratiques sur les mesures, présente les plages numériques typiques pour les microstructures courantes, et montre comment concevoir et tester des pièces moulées lorsque les performances magnétiques sont importantes.

2. Magnétisme de base dans les matériaux ferreux

Ferromagnétisme dans les matériaux à base de fer résulte de moments magnétiques alignés (électrons non appariés) en atomes de Fe.

Sous un champ appliqué H, les domaines s'alignent produisant une densité de flux magnétique B. La relation B – H est non linéaire et présente une hystérésis.

Quelques notions essentielles:

• B (densité de flux magnétique) et H (champ magnétisant) sont liés par la courbe non linéaire B – H.
• Perméabilité relative (μr) mesure à quel point un matériau est plus facile à magnétiser que le vide (µr = B/(µ0H)).
• Coercitivité (Hc) est le champ inverse nécessaire pour réduire B à zéro après magnétisation (une mesure de la « difficulté » à supprimer la magnétisation).
• Rémanence (Br) est la densité de flux résiduel lorsque H revient à zéro.
• Densité de flux de saturation (Bs) est le maximum B que le matériau peut supporter (limité par la fraction volumique ferromagnétique).
• Température de Curie (Tc) est la température au dessus de laquelle le ferromagnétisme disparaît (pour les phases ferreuses autour de ~770 °C, légèrement modifié par alliage).

La fonte grise se comporte comme un ferromagnétique doux à température ambiante (faible coercivité par rapport aux aimants permanents), mais avec des pertes de perméabilité et d'hystérésis qui dépendent fortement de la microstructure.

3. Qu'est-ce qui contrôle le magnétisme dans la fonte grise ?

Fonte grise comprend flocons de graphite noyé dans une matrice de fer (ferrite et/ou perlite et parfois cémentite). Chaque constituant affecte le magnétisme:

• Ferrite (α-Fe) — fer cubique centré sur le corps. Ferromagnétique doux; contribue à une perméabilité plus élevée et une faible coercivité.
• Perlite (mélange de ferrite et cémentite Fe₃C) — les régions perlitiques contiennent des lamelles de ferrite entrelacées de cémentite;
  ceux-ci réduisent la perméabilité effective et augmentent la coercivité par rapport à la ferrite pure car la cémentite est non ferromagnétique (ou faiblement magnétique) et crée l'épinglage de domaine.
• Cémentite (Fe₃c) — pas fortement ferromagnétique; agit comme un diluant magnétique et un site d'épinglage de paroi de domaine.
• Flocons de graphite — inclusions électriquement et structurellement discontinues. Le graphite lui-même n'est pas ferromagnétique; les flocons interrompent la continuité magnétique et créent des concentrations de contraintes locales et des champs démagnétisants internes.
  Le résultat net est une réduction de la perméabilité effective et une augmentation des pertes par hystérésis par rapport à une matrice entièrement ferritique..

Donc: plus de ferrite → μr plus élevé, coercitivité inférieure; plus de perlite/cémentite → plus faible μr, coercitivité et perte d'hystérésis plus élevées.

Morphologie du graphite (taille, orientation, fraction volumique) contrôle l'anisotropie et la diffusion du flux magnétique.

4. Paramètres magnétiques clés et comment ils sont mesurés

• Courbe B-H / boucle d'hystérésis — mesuré avec un perméamètre ou un cadre Epstein (pour aciers de stratification) et donne μr(H), Hc, Br, et Bs.
• Perméabilité relative, μr (initiale et maximale) — μr initial à petit H (dicte la réponse aux petits signaux) et μr maximum à des champs modérés.
• Coercivité Hc (A/m ou Oe) et reste la densité de flux Br (T) — indiquer à quel point le comportement magnétique est « doux » ou « dur ».
  La fonte grise est un ferromagnétique doux (faible HC) par rapport aux matériaux à aimant permanent, mais généralement plus dur que les aciers recuits à faible teneur en carbone si la teneur en perlite/cémentite est élevée.
• Densité de flux de saturation Bs (T) — mesuré à H élevé; le Bs de la fonte grise est inférieur à celui du fer pur en raison des phases non magnétiques et de la porosité.
• Température de Curie Tc — pour les phases ferreuses ~770 °C; les alliages et la microstructure décalent légèrement Tc; mesuré par analyse thermomagnétique.

Outils de mesure typiques:

• Portable perméabilitémètres pour des contrôles rapides en magasin.
• Magnétomètre à échantillon vibrant (VSM) et hystérésisgraphe pour boucles B–H de laboratoire.
• Sondes à courants de Foucault et analyseurs d'impédance pour la perméabilité et la perte en fonction de la fréquence.

5. Propriétés magnétiques des nuances de fonte grise typiques

Ci-dessous un compact, tableau de données axé sur l'ingénierie montrant représentant plages de propriétés magnétiques pour les microstructures courantes de fonte grise et pour trois qualités communément spécifiées.

Étant donné que le magnétisme de la fonte dépend fortement du processus, ces chiffres sont des plages destinées à la conception préliminaire — pour les pièces magnétiquement critiques, demandez des boucles B–H sur des coupons représentatifs..

Comment lire et utiliser ce tableau (conseils pratiques)

• µr initial est la perméabilité aux petits signaux — pertinente pour les capteurs, petits champs CC et première étape de magnétisation en CND.
• µr maximale indique la facilité avec laquelle le matériau concentrera le flux avant d'approcher la saturation - important pour prédire les chemins de fuite ou les shuntages.
• Coercitivité (Hc) montre à quel point le matériau est « dur » à démagnétiser après avoir été magnétisé (Hc plus élevé → champ plus rémanent après MPI). Convertir A/m → Oe en divisant par ≈79,577 (par ex., 800 A/m ≈ 10.05 Oe).
• Saturation Bs est la limite supérieure pratique de la densité de flux; le Bs de la fonte grise est inférieur à celui du fer pur et de nombreux aciers car le graphite non magnétique et la cémentite réduisent la fraction volumique ferromagnétique.
• Résistivité relative est donné comme un multiple de la résistivité de l'acier doux (qualitatif).
  Une résistivité plus élevée réduit les courants de Foucault aux fréquences CA — un avantage pour les carters de machines tournantes ou là où les pertes de Foucault pourraient poser problème.

6. Comment la chimie, la microstructure et le traitement modifient les propriétés magnétiques

Alliage:

• Teneur en carbone & graphitisation: carbone libre plus élevé → plus de graphite → réduction de μr et Bs.
• Silicium favorise la graphitisation et augmente la résistivité; Le Si modéré a tendance à réduire la perméabilité par rapport au fer pur.
• Soufre, phosphore et autres oligo-éléments affecter la morphologie du graphite et donc la continuité magnétique.
• Éléments d'alliage comme Ni, Cr, Mn modifier les interactions d'échange magnétique et peut abaisser la température de Curie ou modifier la coercivité.

Traitement thermique:

• Recuit (ferritisation) augmente la fraction de ferrite, augmente μr et réduit la coercitivité (adoucit la réponse magnétique).
• Normalisation / refroidissement plus rapide augmente la perlite/cémentite → réduit μr et augmente Hc.
• Chauffage ou soudage localisé peut créer une inhomogénéité magnétique et une contrainte résiduelle, qui modifie la perméabilité locale et peut être détecté de manière non destructive.

Déformation mécanique:

• Le travail à froid introduit des dislocations et des contraintes résiduelles → le goupillage des parois du domaine augmente la coercivité et diminue la perméabilité. Le soulagement du stress réduit ces effets.

Porosité & inclusions:

• Les pores et les inclusions non magnétiques interrompent les chemins de flux et diminuent le μr et le Bs effectifs. Ils peuvent également augmenter l'hystérésis et la perte.

7. Anisotropie et effets de paillettes de graphite : pourquoi l'orientation de la coulée est importante

Les flocons de graphite ont tendance à orienter perpendiculairement au flux de chaleur pendant la solidification, s'alignant souvent à peu près parallèlement aux surfaces du moule. Les flocons produisent anisotropie magnétique:

• Flux voyageant parallèle aux flocons rencontre des champs démagnétisants différents de ceux des flocons traversant le flux perpendiculaire à leur avion.
• Ainsi mesuré μr et spectres de perméabilité peut dépendre de la direction; en pratique, cela signifie que les circuits magnétiques utilisant des pièces moulées doivent prendre en compte l'orientation - par ex., aligner les chemins de flux pour traverser la direction la plus perméable lorsque cela est possible.

Les flocons de graphite créent également des champs de déformation locaux, qui affectent en outre le mouvement de la paroi du domaine et donc le comportement de l'hystérésis.

8. Résistivité électrique, courants de Foucault et pertes magnétiques dans la fonte grise

• Résistivité: La fonte grise présente généralement résistivité électrique plus élevée que l'acier à faible teneur en carbone, car les flocons de graphite et les impuretés perturbent les chemins des électrons.
  Qualitativement: la résistivité de la fonte grise est plusieurs× celui de l'acier à faible teneur en carbone typique. Une résistivité plus élevée réduit l'amplitude des courants de Foucault pour un champ magnétique alternatif donné.
• Perte par courants de Foucault: Pour le magnétisme AC, perte = perte par hystérésis + perte par courants de Foucault.
  En raison de la résistivité plus élevée et de la structure en flocons, les pertes turbulentes dans la fonte grise sont souvent inférieures à celles dans l'acier dense de perméabilité similaire, ce qui rend la fonte grise relativement attrayante là où des champs magnétiques de fréquence faible à modérée existent et où les pertes de Foucault sont importantes.
  Cependant, les flocons de graphite peuvent créer des microcircuits qui compliquent la prévision des pertes.
• Perte d'hystérésis: Augmenté par la perlite/cémentite et le goupillage des murs du domaine; la fonte grise avec une fraction de perlite élevée présente généralement une perte d'hystérésis plus élevée que la fonte ferritique.

Implications dans la conception: pour circuits magnétiques basse fréquence (DC ou statique), la fonte grise peut transporter du flux mais ne correspond pas aux noyaux électriques en acier pour les circuits magnétiques CA à haut rendement.

Pour les composants où la perte magnétique est secondaire (carters de moteur à proximité des moteurs, surfaces de montage magnétiques), la combinaison de perméabilité modérée et de perte turbulente réduite de la fonte grise peut être acceptable.

9. Applications pratiques et implications

Inspection des particules magnétiques (MPI)

• La fonte grise est magnétisable et largement inspecté à l'aide de MPI pour détecter les défauts de surface et proches de la surface..
  La réponse magnétique (facilité de magnétisation et courant requis) dépend de la perméabilité : les pièces moulées ferritiques sont plus faciles à magnétiser que les pièces perlitiques. L'orientation du champ par rapport aux flocons de graphite est importante pour la sensibilité.

Moteur & boîtiers de générateurs, cadres et enceintes

• Les boîtiers en fonte grise sont couramment utilisés pour le support mécanique à proximité des machines magnétiques. Leur perméabilité magnétique peut provoquer un shuntage magnétique ou modifier les modèles de champs parasites.
  Les concepteurs doivent tenir compte du couplage magnétique (par ex., courants induits, fuite magnétique) lorsque les boîtiers sont proches de bobines actives ou d'aimants permanents.

EMI / blindage magnétique

• La fonte grise peut agir comme un chemin magnétique ou un bouclier partiel pour les champs basse fréquence en raison de sa perméabilité., mais alliages magnétiques doux spécialisés ou aciers électriques laminés sont préférés lorsqu'une efficacité de blindage élevée et une faible perte sont requises.
  La résistivité plus élevée de la fonte grise est utile aux fréquences intermédiaires, mais le manque de perméabilité contrôlée et l'anisotropie limitent les performances.

Tests par courants de Foucault et couplage EMI

• Une résistivité accrue est avantageuse pour réduire les courants de Foucault dans les environnements AC; cependant, les flocons de graphite et la porosité permettent de prédire en détail l'effet cutané et le complexe de distribution des tourbillons.

Localisation du capteur magnétique et champs parasites

• Ingénieurs utilisant Fluxgate, Les capteurs à effet Hall ou inductifs à proximité des pièces moulées doivent prendre en compte les anomalies magnétiques locales dues à la microstructure inhomogène de la fonte et aux contraintes résiduelles..

10. Meilleures pratiques de mesure et considérations en matière de CND

• Quand mesurer: spécifier la perméabilité ou la courbe B – H pour les pièces moulées magnétiquement critiques (boîtiers de roulement dans les actionneurs électromagnétiques, cadres qui font partie d'un circuit magnétique).
• Comment mesurer: petits coupons (emplacement et orientation représentatifs) mesuré en laboratoire avec un perméamètre ou VSM;
  pour l'acceptation en magasin, des perméabilités portables ou des tests d'anneau/collier sont utilisés.
  Signaler les deux µr initial et μr dans le champ pertinent (par ex., 0.5–1,0 T) plus boucle d'hystérésis si les pertes CA sont importantes.
• Pour MPI: calibrer le courant de magnétisation au niveau le plus bas requis pour révéler les défauts sans stimuler la rémanence indésirable;
  rappelez-vous que les différences de coercitivité peuvent modifier le maintien de la magnétisation (affecte la démagnétisation après le test).
• Orientation des enregistrements: toujours signaler l'orientation du test (parallèle/perpendiculaire à la surface de coulée) parce que l'anisotropie existe.

11. Idées fausses courantes & Précisions

Toute la fonte grise est hautement magnétique

FAUX. La force magnétique dépend de la phase de la matrice: L'EN-GJL-200 ferritique est fortement magnétique (μᵢ = 380 H/M), tandis que l'EN-GJL-300 perlitique est modérément magnétique (μᵢ = 220 H/M). Nuances riches en graphite (C >3.5%) ont une faible réponse magnétique.

La teneur en carbone n'affecte pas le magnétisme

FAUX. Le carbone forme du graphite non magnétique, augmentant le C de 3.0% à 3.8% réduit la perméabilité de 30 à 40 % (critique pour les applications hautement magnétiques).

La fonte grise peut remplacer l'acier au silicium dans les moteurs haute puissance

FAUX. L'acier au silicium a μₘ = 5 000–8 000 H/m (2–4x plus élevé que la fonte grise) et perte d'hystérésis plus faible : la fonte grise est limitée aux puissances faibles à moyennes (≤5 kW) candidatures.

Le traitement thermique n'a aucun impact sur les propriétés magnétiques

FAUX. Le recuit convertit la perlite en ferrite, augmentant μᵢ de 30 à 35 % – critique pour optimiser les performances magnétiques dans les composants post-coulées.

12. Conclusion

La fonte grise est un aimant, mais matériau sensible à la microstructure.

Les microstructures ferritiques offrent la meilleure perméabilité et la plus faible perte d'hystérésis, tandis que les microstructures perlitiques/refroidies réduisent la perméabilité et augmentent la coercivité et l'hystérésis.

Les flocons de graphite introduisent une anisotropie et réduisent localement la continuité magnétique mais augmentent la résistivité électrique (utile pour limiter les courants de Foucault).

Pour tout élément magnétiquement important fonderie (MPI, proximité d'appareils électromagnétiques, blindage partiel) préciser et mesurer paramètres magnétiques (µr initial, Boucle B–H, coercitivité, orientation) sur les coupons représentatifs.

En cas de doute, demandez à la fonderie les données B–H ou effectuez de simples tests de perméabilité lors de l'inspection à l'arrivée.

 

FAQ

La fonte grise est-elle magnétique?

Oui. Il est ferromagnétique à température ambiante; cependant, sa perméabilité et son hystérésis dépendent fortement de la matrice (ferrite ou perlite), teneur en graphite et traitement.

Puis-je utiliser la fonte grise comme matériau de noyau magnétique?

Pas pour les cœurs AC hautes performances. La fonte grise peut transporter du flux et fournir un blindage partiel aux basses fréquences, mais les aciers électriques ou les alliages magnétiques doux donnent bien mieux, des performances prévisibles avec des pertes réduites.

Comment le graphite affecte-t-il les résultats MPI?

Le graphite réduit la perméabilité locale et provoque une anisotropie.

Les régions ferritiques magnétisent plus facilement et présentent une sensibilité MPI plus élevée; les zones perlitiques/refroidies nécessitent une magnétisation plus forte et peuvent piéger la rémanence.

Quelles données magnétiques dois-je demander à un fournisseur?

Demande: représentant Boucles B–H (deux orientations si possible), μr initial et maximum, coercitivité (Hc), saturation Bs et une description de l'orientation/du traitement thermique mesuré. Demandez également des photos métallographiques montrant la morphologie du graphite..

Comment réduire l'aimantation rémanente après MPI?

Utiliser une démagnétisation CA contrôlée (champ alternatif décroissant progressivement) ou appliquer un champ inverse DC légèrement supérieur au champ rémanent, selon la pratique standard des CND. Vérifier le champ résiduel avec un gaussmètre.