Magnetska svojstva sivog lijevanog željeza

1. Uvod

Siva (siva) lijevano željezo je feromagnetski inženjerski materijal čije magnetsko ponašanje određuje matrica željeza (ferit/perlit/cementit), morfologija grafitnih ljuskica i povijest obrade.

Te mikrostrukturne značajke kontroliraju propusnost, prisila, zasićenje i gubici — parametri koji su važni za ispitivanje magnetskim česticama, magnetska zaštita, blizina motora/generatora i ponašanje vrtložnih struja.

Ovaj vodič objašnjava fiziku, daje praktične smjernice za mjerenje, prikazuje tipične numeričke raspone za uobičajene mikrostrukture, i pokazuje kako dizajnirati i testirati odljevke kada je magnetska izvedba važna.

2. Osnovni magnetizam u željeznim materijalima

Feromagnetizam u materijalima na bazi željeza proizlazi iz poravnatih magnetskih momenata (nespareni elektroni) u atomima Fe.

Pod primijenjenim poljem H, domene se poravnavaju stvarajući gustoću magnetskog toka B. Odnos B–H je nelinearan i pokazuje histerezu.

Nekoliko bitnih pojmova:

• B (gustoća magnetskog toka) i H (polje magnetiziranja) povezani su nelinearnom B–H krivuljom.
• Relativna propusnost (μr) mjeri koliko je materijal lakše magnetizirati od vakuuma (μr = B/(μ0H)).
• Prisilnost (Hc) je obrnuto polje potrebno za smanjenje B na nulu nakon magnetizacije (mjera koliko je "teško" magnetiziranje ukloniti).
• Remanencija (Br) je rezidualna gustoća toka kada se H vrati na nulu.
• Gustoća toka zasićenja (Bs) je maksimalni B koji materijal može podnijeti (ograničen feromagnetskim volumnim udjelom).
• Curiejeva temperatura (Tc) je temperatura iznad koje feromagnetizam nestaje (za željezne faze oko ~770 °C, malo modificiran legiranjem).

Sivi lijev se ponaša kao a meki feromagnet na sobnoj temperaturi (niska koercitivnost u odnosu na trajne magnete), ali s gubicima propusnosti i histereze koji jako ovise o mikrostrukturi.

3. Što kontrolira magnetizam u sivom lijevanom željezu?

Sivo lijevano željezo obuhvaća grafitne ljuskice ugrađen u željeznu matricu (ferit i/ili perlit i ponekad cementit). Svaki sastojak utječe na magnetizam:

• Ferit (α-Fe) — kubično željezo s središtem tijela. Meki feromagnet; doprinosi većoj propusnosti i niskoj koercitivnosti.
• perlit (mješavina ferita i cementita Fe₃C) — perlitna područja sadrže feritne lamele isprepletene cementitom;
  oni smanjuju efektivnu propusnost i povećavaju koercitivnost u usporedbi s čistim feritom jer cementit nije feromagnetičan (ili slabo magnetski) i stvara prikvačivanje domene.
• Cementit (Fe₃c) — nije jako feromagnetno; djeluje kao magnetski razrjeđivač i mjesto pričvršćivanja stijenke domene.
• Grafitne ljuskice — električni i strukturno diskontinuirani uključci. Sam grafit nije feromagnetičan; pahuljice prekidaju magnetski kontinuitet i stvaraju lokalne koncentracije naprezanja i unutarnja demagnetizirajuća polja.
  Konačni rezultat je smanjenje efektivne propusnosti i povećani gubici zbog histereze u odnosu na potpuno feritnu matricu.

Stoga: više ferita → veći μr, niža koercitivnost; više perlita/cementita → niži μr, veća koercitivnost i gubitak histereze.

Morfologija grafita (veličina, orijentacija, volumni udio) kontrolira anizotropiju i raspršenje magnetskog toka.

4. Ključni magnetski parametri i kako se mjere

• B–H krivulja / histerezna petlja — mjereno permeametrom ili Epsteinovim okvirom (za laminiranje čelika) i daje μr(H), Hc, Br, i Bs.
• Relativna propusnost, μr (početni i maksimalni) — početni μr pri malom H (diktira odgovor malog signala) a maksimum μr pri umjerenim poljima.
• Koercitivnost Hc (A/m ili Oe) i ostati gustoća toka Br (T) — pokazuju koliko je "meko" ili "tvrdo" magnetsko ponašanje.
  Sivo željezo je meki feromagnet (nizak Hc) u odnosu na materijale s trajnim magnetima, ali obično tvrđi od žarenih niskougljičnih čelika ako je sadržaj perlita/cementita visok.
• Gustoća toka zasićenja Bs (T) — mjereno na visokoj H; Bs sivog željeza niži je od čistog željeza zbog nemagnetskih faza i poroznosti.
• Curiejeva temperatura Tc — za željezne faze ~770 °C; legure i mikrostruktura malo pomiču Tc; mjereno termomagnetskom analizom.

Tipični mjerni alati:

• Prijenosni mjerači propusnosti za brzu provjeru trgovine.
• Vibrirajući magnetometar za uzorke (VSM) i histerezograf za laboratorijske B–H petlje.
• Sonde za vrtložne struje i analizatori impedancije za frekvencijski ovisnu propusnost i gubitak.

5. Magnetska svojstva tipičnih vrsta sivog lijeva

Ispod je kompakt, tablica podataka usmjerena na inženjerstvo koja prikazuje predstavnik rasponi magnetskih svojstava za uobičajene mikrostrukture sivog željeza i za tri uobičajeno specificirana razreda.

Budući da magnetizam od lijevanog željeza uvelike ovisi o procesu, ove brojke su rasponi namijenjeni preliminarnom dizajnu — za magnetski kritične dijelove zatražite B–H petlje na reprezentativnim kuponima.

Kako čitati i koristiti ovu tablicu (praktično vodstvo)

• Početni μr je propusnost malog signala — relevantna za senzore, mala istosmjerna polja i prvi korak magnetiziranja u NDT-u.
• Maksimalni μr pokazuje koliko će lako materijal koncentrirati tok prije nego što se približi zasićenju — važno kada se predviđaju putevi curenja ili ranžiranja.
• Prisilnost (Hc) pokazuje koliko je "teško" materijal razmagnetizirati nakon magnetiziranja (veći Hc → više remanentnog polja nakon MPI). Pretvorite A/m → Oe dijeljenjem s ≈79,577 (Npr., 800 A/m ≈ 10.05 Oe).
• Zasićenost Bs je praktična gornja granica za gustoću toka; Bs sivog željeza niži je nego kod čistog željeza i mnogih čelika jer nemagnetski grafit i cementit smanjuju feromagnetski volumni udio.
• Relativni otpor daje se kao višestruki otpor mekog čelika (kvalitativni).
  Veći otpor smanjuje vrtložne struje na izmjeničnim frekvencijama — prednost za kućišta rotirajućih strojeva ili gdje bi vrtložni gubici mogli biti problem.

6. Kakva kemija, mikrostruktura i obrada mijenjaju magnetska svojstva

Legiranje:

• Sadržaj ugljika & grafitizacija: više slobodnog ugljika → više grafita → smanjeni μr i Bs.
• Silicij potiče grafitizaciju i povećava otpornost; umjeren Si ima tendenciju smanjenja propusnosti u odnosu na čisto željezo.
• Sumpor, fosfora i drugih elemenata u tragovima utjecati na morfologiju grafita, a time i na magnetski kontinuitet.
• Legirajući elementi poput Ni, CR, MN promijeniti interakcije magnetske izmjene i može sniziti Curiejevu temperaturu ili modificirati koercitivnost.

Toplotna obrada:

• Žalost (feritizirajući) povećava udio ferita, povećava μr i smanjuje koercitivnost (omekšava magnetski odgovor).
• Normaliziranje / brže hlađenje povećava perlit/cementit → smanjuje μr i povećava Hc.
• Lokalno grijanje ili zavarivanje može stvoriti magnetsku nehomogenost i zaostalo naprezanje, koji mijenja lokalnu propusnost i može se otkriti nedestruktivno.

Mehanička deformacija:

• Hladna obrada uvodi dislokacije i zaostalo naprezanje → pričvršćivanje stijenke domene povećava koercitivnost i smanjuje propusnost. Ublažavanje stresa smanjuje te učinke.

Poroznost & inkluzije:

• Pore ​​i nemagnetske inkluzije prekidaju putove toka i smanjuju efektivni μr i Bs. Oni također mogu povećati histerezu i gubitak.

7. Anizotropija i efekti grafitnih pahuljica — zašto je orijentacija lijevanja važna

Grafitne ljuskice imaju tendenciju orijentirati okomito na protok topline tijekom skrućivanja, često poravnavajući otprilike paralelno s površinama kalupa. Pahuljice proizvode magnetska anizotropija:

• Tok putuje paralelno s pahuljicama nailazi na drugačija polja demagnetiziranja od ljuskica koje prolaze kroz tok okomito do njihovog aviona.
• Tako izmjereno μr i spektri propusnosti može ovisiti o smjeru; u praksi to znači da bi magnetski krugovi koji koriste odljevke trebali uzeti u obzir orijentaciju - npr., usklađivanje staza fluksa za prelaženje propusnijeg smjera gdje je to moguće.

Grafitne ljuskice također stvaraju lokalna polja naprezanja, koji dalje utječu na gibanje stijenke domene i time na ponašanje histereze.

8. Električni otpor, vrtložne struje i magnetski gubici u sivom željezu

• Otpornost: Sivi lijev obično ima veći električni otpor nego niskougljični čelik jer grafitne ljuskice i nečistoće ometaju staze elektrona.
  Kvalitativno: otpornost sivog lijeva je nekoliko × tipičnog niskougljičnog čelika. Veći otpor smanjuje veličinu vrtložne struje za određeno izmjenično magnetsko polje.
• Gubitak vrtložne struje: Za izmjeničnu magnetiku, gubitak = gubitak histereze + vrtložni gubitak.
  Zbog većeg otpora i strukture ljuspica, vrtložni gubici u sivom željezu često su manji nego u gustom čeliku slične propusnosti, čineći sivo željezo relativno privlačnim tamo gdje postoje magnetska polja niske do umjerene frekvencije i vrtložni gubici su važni.
  Međutim, grafitne ljuskice mogu stvoriti mikrosklopove koji kompliciraju predviđanje gubitaka.
• Gubitak histereze: Povećano perlitom/cementitom i pričvršćivanjem zida domene; sivo željezo s visokim udjelom perlita obično ima veći gubitak histereze nego feritno lijevano željezo.

Implikacija dizajna: za niskofrekventne magnetske krugove (DC ili statički), sivo željezo može nositi tok, ali neće odgovarati električnim čeličnim jezgrama za visokoučinkovite AC magnetske krugove.

Za komponente kod kojih je magnetski gubitak sekundaran (kućišta motora u blizini motora, magnetske montažne površine), kombinacija umjerene propusnosti i smanjenog vrtložnog gubitka kod sivog željeza može biti prihvatljiva.

9. Praktične primjene i implikacije

Inspekcija magnetskim česticama (MPI)

• Sivo željezo je magnetizirajuće i naširoko pregledan pomoću MPI za površinske i pripovršinske nedostatke.
  Magnetski odgovor (jednostavnost magnetiziranja i potrebna struja) ovisi o propusnosti — feritne odljevke lakše je magnetizirati od perlitnih. Orijentacija polja u odnosu na grafitne ljuskice važna je za osjetljivost.

Motor & kućišta generatora, okviri i kućišta

• Kućišta od sivog željeza obično se koriste za mehaničku podršku u blizini magnetskih strojeva. Njihova magnetska propusnost može uzrokovati magnetsko ranžiranje ili promijeniti uzorke zalutalog polja.
  Dizajneri moraju uzeti u obzir magnetsku spregu (Npr., inducirane struje, magnetsko curenje) kada su kućišta blizu aktivnih zavojnica ili trajnih magneta.

EMI / magnetska zaštita

• Sivo željezo može djelovati kao magnetski put ili djelomični štit za niskofrekventna polja zbog svoje propusnosti, ali specijalizirane meke magnetske legure ili laminirani elektrotehnički čelici preferiraju se tamo gdje je potrebna visoka učinkovitost zaštite i mali gubici.
  Veća otpornost sivog lijeva pomaže na srednjim frekvencijama, ali nedostatak kontrolirane propusnosti i anizotropije ograničava performanse.

Ispitivanje vrtložnim strujama i EMI sprezanje

• Povećana otpornost je korisna za smanjenje vrtložnih struja u izmjeničnim okruženjima; međutim, grafitne ljuskice i poroznost omogućuju detaljno predviđanje skin efekta i kompleksa distribucije vrtloga.

Lokacija magnetskog senzora i zalutala polja

• Inženjeri koji koriste fluxgate, Hallovi ili induktivni senzori u blizini odljevaka moraju uzeti u obzir lokalne magnetske anomalije od nehomogene mikrostrukture lijevanog željeza i zaostalih naprezanja.

10. Najbolja praksa mjerenja i NDT razmatranja

• Kada mjeriti: specificirati permeabilnost ili B-H krivulju za magnetski kritične odljevke (kućišta ležajeva u elektromagnetskim aktuatorima, okviri koji čine dio magnetskog kruga).
• Kako mjeriti: male kupone (reprezentativan položaj i orijentacija) mjereno u laboratoriju s permeametrom ili VSM;
  za prihvaćanje trgovine, koriste se prijenosni mjerači propusnosti ili testovi prstena/ovratnika.
  Prijavi oboje početni μr i μr na relevantnom polju (Npr., 0.5–1,0 T) plus petlja histereze ako su izmjenični gubici važni.
• Za MPI: kalibrirati struju magnetizacije na najnižu potrebnu za otkrivanje nedostataka bez stimuliranja neželjene remanencije;
  zapamtite da razlike u koercitivnosti mogu promijeniti zadržavanje magnetizacije (utječe na demagnetizaciju nakon ispitivanja).
• Orijentacija zapisa: uvijek prijavite orijentaciju testa (paralelno/okomito na površinu lijevanja) jer anizotropija postoji.

11. Uobičajene zablude & Pojašnjenja

Sav sivi lijev je jako magnetski

lažno. Magnetska snaga ovisi o fazi matrice: Feritni EN-GJL-200 je jako magnetičan (μᵢ = 380 H/m), dok je perlitni EN-GJL-300 umjereno magnetičan (μᵢ = 220 H/m). Vrste bogate grafitom (C >3.5%) imaju slab magnetski odziv.

Sadržaj ugljika ne utječe na magnetizam

lažno. Ugljik stvara nemagnetski grafit—povećava C od 3.0% do 3.8% smanjuje propusnost za 30-40% (kritičan za visokomagnetske primjene).

Sivi lijev može zamijeniti silikonski čelik u motorima velike snage

lažno. Silikonski čelik ima μₘ = 5000–8000 H/m (2–4x veći od sivog lijeva) i manji gubitak histereze—sivi lijev je ograničen na nisku do srednju snagu (≤5 kW) prijava.

Toplinska obrada nema utjecaja na magnetska svojstva

lažno. Žarenjem se perlit pretvara u ferit, povećanje μᵢ za 30–35% — kritično za optimizaciju magnetske izvedbe u naknadno lijevanim komponentama.

12. Zaključak

Sivi lijev je magnetik, ali materijal osjetljiv na mikrostrukturu.

Feritne mikrostrukture daju najbolju propusnost i najmanji gubitak histereze, dok perlitne/ohlađene mikrostrukture smanjuju propusnost i povećavaju koercitivnost i histerezu.

Grafitne ljuskice uvode anizotropiju i lokalno smanjuju magnetski kontinuitet, ali povećavaju električni otpor (pomaže u ograničavanju vrtložnih struja).

Za bilo koji magnetski važan lijevanje (MPI, blizina elektromagnetskih uređaja, djelomično oklapanje) odrediti i izmjeriti magnetski parametri (početni μr, B–H petlja, prisila, orijentacija) na reprezentativnim kuponima.

Kad je u nedoumici, zatražite od ljevaonice B–H podatke ili provedite jednostavne testove propusnosti tijekom ulazne inspekcije.

 

Česta pitanja

Je magnetski od sivog lijeva?

Da. Na sobnoj temperaturi je feromagnetičan; međutim, njegova propusnost i histereza jako ovise o matrici (ferit vs perlit), sadržaj i obrada grafita.

Mogu li koristiti sivo željezo kao materijal za magnetsku jezgru?

Nije za AC jezgre visokih performansi. Sivo željezo može prenositi fluks i pružiti djelomičnu zaštitu na niskim frekvencijama, ali elektrotehnički čelici ili meke magnetske legure daju mnogo bolje, predvidljiv učinak s manjim gubicima.

Kako grafit utječe na MPI rezultate?

Grafit smanjuje lokalnu propusnost i uzrokuje anizotropiju.

Feritna područja se lakše magnetiziraju i pokazuju veću MPI osjetljivost; perlitna/ohlađena područja zahtijevaju jaču magnetizaciju i mogu zarobiti remanenciju.

Koje magnetske podatke trebam zatražiti od dobavljača?

Zahtjev: predstavnik B–H petlje (dvije orijentacije ako je moguće), početni i maksimalni μr, prisila (Hc), zasićenje Bs i opis izmjerene orijentacije/toplinske obrade. Također zatražite metalografske fotografije koje prikazuju morfologiju grafita.

Kako mogu smanjiti zaostalu magnetizaciju nakon MPI?

Koristite kontroliranu demagnetizaciju izmjeničnom strujom (postupno opadajuće izmjenično polje) ili primijeniti istosmjerno obrnuto polje malo veće od preostalog polja, prema standardnoj praksi NDT-a. Provjerite rezidualno polje gausmetrom.