Sifat Magnetik Besi Cor Abu-abu

1. Perkenalan

Abu-abu (abu-abu) besi cor adalah bahan rekayasa feromagnetik yang perilaku magnetiknya diatur oleh matriks besi (ferit/perlit/sementit), morfologi serpihan grafit dan sejarah pemrosesan.

Fitur mikrostruktur tersebut mengontrol permeabilitas, pemaksaan, saturasi dan kerugian — parameter yang penting untuk inspeksi partikel magnetik, pelindung magnetik, kedekatan dengan motor/generator dan perilaku arus eddy.

Panduan ini menjelaskan fisika, memberikan panduan pengukuran praktis, menyajikan rentang numerik tipikal untuk struktur mikro umum, dan menunjukkan cara merancang dan menguji coran ketika kinerja magnetis penting.

2. Magnetisme dasar pada bahan besi

Ferromagnetisme pada material berbahan dasar besi timbul dari momen magnet yang selaras (elektron yang tidak berpasangan) dalam atom Fe.

Di bawah bidang terapan H, domain sejajar menghasilkan kerapatan fluks magnet B. Hubungan B–H bersifat nonlinier dan menunjukkan histeresis.

Beberapa konsep penting:

• B (kerapatan fluks magnet) Dan H (bidang magnetisasi) dihubungkan oleh kurva B – H nonlinier.
• Permeabilitas relatif (μr) mengukur seberapa mudah suatu material menjadi magnet dibandingkan vakum (r = B/(μ0H)).
• Pemaksaan (Hc) adalah medan kebalikan yang diperlukan untuk mereduksi B menjadi nol setelah magnetisasi (ukuran seberapa “keras” magnetisasi untuk dihilangkan).
• Remanensi (Sdr) adalah kerapatan fluks sisa ketika H kembali ke nol.
• Kerapatan fluks saturasi (B) adalah B maksimum yang dapat dipertahankan oleh material tersebut (dibatasi oleh fraksi volume feromagnetik).
• Suhu Curie (Tc) adalah suhu di atas mana feromagnetisme menghilang (untuk fase besi sekitar ~770 °C, dimodifikasi sedikit dengan paduan).

Besi cor kelabu berperilaku sebagai a feromagnet lunak pada suhu kamar (koersivitas rendah dibandingkan dengan magnet permanen), tetapi dengan kerugian permeabilitas dan histeresis yang sangat bergantung pada struktur mikro.

3. Apa yang mengendalikan magnetisme pada besi cor kelabu？

Besi cor kelabu terdiri dari serpihan grafit tertanam dalam matriks besi (ferit dan/atau perlit dan terkadang sementit). Setiap konstituen mempengaruhi kemagnetan:

• Ferit (α-Fe) — besi kubik berpusat pada tubuh. Feromagnetik lembut; memberikan permeabilitas yang lebih tinggi dan koersivitas yang rendah.
• Pearlite (campuran ferit dan sementit Fe₃C) — daerah perlitik mengandung lamela ferit yang disisipkan dengan sementit;
  ini mengurangi permeabilitas efektif dan meningkatkan koersivitas dibandingkan dengan ferit murni karena sementit bersifat non-feromagnetik (atau magnetnya lemah) dan membuat penyematan domain.
• sementit (Fe₃c) — tidak terlalu feromagnetik; bertindak sebagai pengencer magnetik dan situs penyematan dinding domain.
• Serpihan grafit — inklusi terputus-putus secara elektrik dan struktural. Grafit sendiri tidak bersifat feromagnetik; serpihan mengganggu kontinuitas magnet dan menciptakan konsentrasi tegangan lokal dan medan demagnetisasi internal.
  Hasil akhirnya adalah penurunan permeabilitas efektif dan peningkatan kerugian histeresis dibandingkan matriks feritik penuh.

Karena itu: lebih banyak ferit → μr lebih tinggi, koersivitas yang lebih rendah; lebih banyak perlit/sementit → μr lebih rendah, koersivitas yang lebih tinggi dan kehilangan histeresis.

Morfologi grafit (ukuran, orientasi, fraksi volume) mengontrol anisotropi dan hamburan fluks magnet.

4. Parameter magnetik utama dan cara mengukurnya

• kurva B–H / lingkaran histeresis — diukur dengan permeameter atau bingkai Epstein (untuk baja laminasi) dan memberikan μr(H), Hc, Sdr, dan B.
• Permeabilitas relatif, μr (awal dan maksimum) — μr awal pada H kecil (menentukan respons sinyal kecil) dan μr maksimum pada bidang sedang.
• Koersivitas Hc (A/m atau Oe) Dan tetap rapat fluks Br (T) — menunjukkan seberapa “lunak” atau “keras” perilaku magnetiknya.
  Besi abu-abu adalah feromagnet lunak (Hc rendah) relatif terhadap bahan magnet permanen tetapi biasanya lebih keras daripada baja karbon rendah anil jika kandungan perlit/sementitnya tinggi.
• Kerapatan fluks saturasi Bs (T) — diukur pada H tinggi; Bs besi abu-abu lebih rendah daripada besi murni karena fase dan porositas non-magnetik.
• Suhu Curie Tc — untuk fase besi ~770 °C; paduan dan struktur mikro sedikit menggeser Tc; diukur dengan analisis termomagnetik.

Alat pengukuran yang umum:

• Portabel meter permeabilitas untuk pemeriksaan toko cepat.
• Magnetometer sampel bergetar (VSM) Dan grafik histeresis untuk loop B–H laboratorium.
• Probe arus eddy Dan penganalisis impedansi untuk permeabilitas dan kehilangan yang bergantung pada frekuensi.

5. Sifat Magnetik dari Nilai Besi Cor Abu-abu Khas

Di bawah ini adalah kompak, tabel data yang berfokus pada teknik ditampilkan perwakilan rentang sifat magnetik untuk struktur mikro besi abu-abu yang umum dan untuk tiga tingkatan yang umum ditentukan.

Karena magnet besi tuang sangat bergantung pada proses, angka-angka ini adalah kisaran yang dimaksudkan untuk desain awal — untuk suku cadang yang kritis secara magnetis, minta loop B–H pada kupon yang mewakili.

Cara membaca dan menggunakan tabel ini (bimbingan praktis)

• μr awal adalah permeabilitas sinyal kecil — relevan untuk sensor, medan DC kecil dan langkah magnetisasi pertama di NDT.
• μr maksimum menunjukkan seberapa mudah material akan memusatkan fluks sebelum mendekati saturasi — penting ketika memprediksi jalur kebocoran atau shunting.
• Pemaksaan (Hc) menunjukkan betapa “keras” suatu bahan mengalami demagnetisasi setelah dimagnetisasi (Hc lebih tinggi → lapangan lebih remanen setelah MPI). Konversi A/m → Oe dengan membaginya dengan ≈79.577 (MISALNYA., 800 A/m ≈ 10.05 Ya).
• Saturasi Bs adalah batas atas praktis untuk kerapatan fluks; Bs besi abu-abu lebih rendah dibandingkan besi murni dan banyak baja karena grafit dan sementit non-magnetik mengurangi fraksi volume feromagnetik.
• Resistivitas relatif diberikan sebagai kelipatan resistivitas baja ringan (kualitatif).
  Resistivitas yang lebih tinggi mengurangi arus eddy pada frekuensi AC — suatu keuntungan untuk rumah mesin yang berputar atau ketika kerugian eddy dapat menjadi masalah.

6. Bagaimana kimianya, struktur mikro dan pemrosesan mengubah sifat magnetik

Paduan:

• Kandungan karbon & grafitisasi: karbon bebas lebih tinggi → lebih banyak grafit → pengurangan μr dan Bs.
• Silikon mempromosikan grafitisasi dan meningkatkan resistivitas; Si sedang cenderung mengurangi permeabilitas vs besi murni.
• Sulfur, fosfor dan elemen jejak lainnya mempengaruhi morfologi grafit dan kontinuitas magnetik.
• Unsur paduan seperti Ni, Cr, M N mengubah interaksi pertukaran magnet dan dapat menurunkan suhu Curie atau mengubah koersivitas.

Perlakuan panas:

• Anil (feritisasi) meningkatkan fraksi ferit, meningkatkan μr dan mengurangi koersivitas (melembutkan respons magnetik).
• Menormalkan / pendinginan lebih cepat meningkatkan perlit/sementit → mengurangi μr dan meningkatkan Hc.
• Pemanasan atau pengelasan lokal dapat menciptakan ketidakhomogenan magnetik dan tegangan sisa, yang mengubah permeabilitas lokal dan dapat dideteksi secara nondestruktif.

Deformasi mekanis:

• Pengerjaan dingin menimbulkan dislokasi dan tegangan sisa → penyematan dinding domain meningkatkan koersivitas dan menurunkan permeabilitas. Menghilangkan stres mengurangi efek ini.

Porositas & inklusi:

• Pori-pori dan inklusi non-magnetik mengganggu jalur fluks dan menurunkan μr dan Bs efektif. Mereka juga dapat meningkatkan histeresis dan kehilangan.

7. Efek anisotropi dan serpihan grafit — mengapa orientasi pengecoran penting

Serpihan grafit cenderung berorientasi tegak lurus terhadap aliran panas selama pemadatan, sering menyelaraskan kira-kira sejajar dengan permukaan cetakan. Serpihannya menghasilkan anisotropi magnetik:

• Perjalanan fluks sejajar dengan serpihan menghadapi medan demagnetisasi yang berbeda dari serpihan penyeberangan fluks tegak lurus ke pesawat mereka.
• Dengan demikian diukur μr Dan spektrum permeabilitas dapat bergantung pada arah; dalam praktiknya ini berarti sirkuit magnetik yang menggunakan coran harus mempertimbangkan orientasi — misalnya., menyelaraskan jalur fluks untuk melintasi arah yang lebih permeabel jika memungkinkan.

Serpihan grafit juga menciptakan medan regangan lokal, yang selanjutnya mempengaruhi gerakan dinding domain dan dengan demikian perilaku histeresis.

8. Resistivitas listrik, arus eddy dan rugi-rugi magnet pada besi abu-abu

• Resistivitas: Besi cor kelabu biasanya memiliki resistivitas listrik yang lebih tinggi dibandingkan baja karbon rendah karena serpihan grafit dan kotoran mengganggu jalur elektron.
  Secara kualitatif: resistivitas besi abu-abu adalah beberapa× yaitu baja karbon rendah pada umumnya. Resistivitas yang lebih tinggi mengurangi besarnya arus eddy untuk medan magnet bolak-balik tertentu.
• Kerugian arus Eddy: Untuk magnet AC, kerugian = kerugian histeresis + kerugian arus eddy.
  Karena resistivitas yang lebih tinggi dan struktur serpihan, kerugian pusaran arus pada besi abu-abu seringkali lebih rendah dibandingkan pada baja padat dengan permeabilitas serupa, membuat besi abu-abu relatif menarik di mana terdapat medan magnet frekuensi rendah hingga sedang dan kerugian pusaran arus penting.
  Namun, serpihan grafit dapat membuat sirkuit mikro yang mempersulit prediksi kerugian.
• Hilangnya histeresis: Ditingkatkan dengan perlit/semenit dan penyematan dinding domain; besi abu-abu dengan fraksi perlit tinggi biasanya memiliki kehilangan histeresis yang lebih tinggi dibandingkan besi cor feritik.

Implikasi desain: untuk sirkuit magnetik frekuensi rendah (DC atau statis), besi abu-abu dapat membawa fluks tetapi tidak cocok dengan inti baja listrik untuk sirkuit magnetik AC efisiensi tinggi.

Untuk komponen yang kehilangan magnetnya bersifat sekunder (rumah mesin dekat motor, permukaan pemasangan magnetis), Kombinasi permeabilitas moderat dari besi abu-abu dan berkurangnya kehilangan pusaran air dapat diterima.

9. Aplikasi praktis dan implikasinya

Inspeksi Partikel Magnetik (MPI)

• Besi abu-abu adalah dapat dimagnetisasi dan diperiksa secara luas menggunakan MPI untuk mengetahui cacat permukaan dan dekat permukaan.
  Respon magnetis (kemudahan magnetisasi dan arus yang dibutuhkan) bergantung pada permeabilitas—coran feritik lebih mudah dimagnetisasi dibandingkan dengan perlitik. Orientasi bidang relatif terhadap serpihan grafit penting untuk sensitivitas.

Motor & rumah generator, bingkai dan penutup

• Rumah besi abu-abu biasanya digunakan untuk penyangga mekanis di dekat mesin magnetis. Permeabilitas magnetiknya dapat menyebabkan shunting magnetik atau mengubah pola medan liar.
  Desainer harus memperhitungkan kopling magnetik (MISALNYA., arus yang diinduksi, kebocoran magnetik) ketika selungkup dekat dengan kumparan aktif atau magnet permanen.

EMI / pelindung magnetik

• Besi abu-abu dapat bertindak sebagai jalur magnet atau pelindung parsial untuk medan frekuensi rendah karena permeabilitasnya, Tetapi paduan magnet lunak khusus atau baja listrik laminasi lebih disukai jika diperlukan efektivitas perlindungan yang tinggi dan kerugian yang rendah.
  Resistivitas besi abu-abu yang lebih tinggi membantu pada frekuensi menengah, tetapi kurangnya permeabilitas terkontrol dan kinerja batas anisotropi.

Pengujian arus eddy dan kopling EMI

• Peningkatan resistivitas bermanfaat untuk mengurangi arus eddy di lingkungan AC; Namun, serpihan grafit dan porositas membuat prediksi rinci mengenai efek kulit dan kompleks distribusi pusaran arus.

Lokasi sensor magnetik dan medan nyasar

• Insinyur menggunakan fluxgate, Sensor aula atau induktif di dekat coran harus mempertimbangkan anomali magnetik lokal dari struktur mikro besi cor yang tidak homogen dan tegangan sisa.

10. Praktik terbaik pengukuran dan pertimbangan NDT

• Kapan harus mengukur: tentukan permeabilitas atau kurva B–H untuk coran yang kritis secara magnetis (rumah bantalan pada aktuator elektromagnetik, bingkai yang membentuk bagian dari sirkuit magnetik).
• Bagaimana mengukurnya: kupon kecil (lokasi dan orientasi yang representatif) diukur di laboratorium dengan permeameter atau VSM;
  untuk penerimaan toko, meter permeabilitas portabel atau uji cincin/kerah digunakan.
  Laporkan keduanya μr awal Dan μr di bidang yang relevan (MISALNYA., 0.5–1,0 T) ditambah loop histeresis jika kerugian AC penting.
• Untuk MPI: mengkalibrasi arus magnetisasi ke tingkat terendah yang diperlukan untuk mengungkap cacat tanpa merangsang remanensi yang tidak diinginkan;
  ingat bahwa perbedaan koersivitas dapat mengubah retensi magnetisasi (mempengaruhi demagnetisasi setelah pengujian).
• Rekam orientasi: selalu laporkan orientasi ujian (sejajar/tegak lurus dengan permukaan pengecoran) karena anisotropi ada.

11. Kesalahpahaman Umum & Klarifikasi

Semua Besi Cor Abu-Abu Sangat Magnetik

PALSU. Kekuatan magnet tergantung pada fase matriks: Feritik EN-GJL-200 bersifat magnetis kuat (μᵢ = 380 jam/m), sedangkan perlitik EN-GJL-300 bersifat cukup magnetis (μᵢ = 220 jam/m). Nilai kaya grafit (C >3.5%) mempunyai respon magnetik yang lemah.

Kandungan Karbon Tidak Mempengaruhi Magnetisme

PALSU. Karbon membentuk grafit non-magnetik—meningkatkan C dari 3.0% ke 3.8% mengurangi permeabilitas sebesar 30–40% (penting untuk aplikasi bermagnet tinggi).

Besi Cor Abu-abu Dapat Menggantikan Baja Silikon pada Motor Bertenaga Tinggi

PALSU. Baja silikon memiliki μₘ = 5000–8000 H/m (2–4x lebih tinggi dari besi cor kelabu) dan kehilangan histeresis yang lebih rendah—besi cor kelabu terbatas pada daya rendah hingga sedang (≤5 kW) aplikasi.

Perlakuan Panas Tidak Berdampak pada Sifat Magnetik

PALSU. Annealing mengubah perlit menjadi ferit, meningkatkan μᵢ sebesar 30–35%—penting untuk mengoptimalkan kinerja magnetik pada komponen pasca-cetak.

12. Kesimpulan

Besi cor kelabu bersifat magnetis, tetapi bahan yang sensitif terhadap struktur mikro.

Struktur mikro feritik memberikan permeabilitas terbaik dan kehilangan histeresis terendah, sementara struktur mikro perlitik/dingin mengurangi permeabilitas dan meningkatkan koersivitas dan histeresis.

Serpihan grafit menimbulkan anisotropi dan secara lokal mengurangi kontinuitas magnet tetapi meningkatkan resistivitas listrik (berguna untuk membatasi arus eddy).

Untuk semua hal yang penting secara magnetis pengecoran (MPI, kedekatan dengan perangkat elektromagnetik, pelindung parsial) menentukan dan mengukur parameter magnetik (μr awal, putaran B–H, pemaksaan, orientasi) pada kupon perwakilan.

Ketika ragu, mintalah data B–H kepada pengecoran atau lakukan uji permeabilitas sederhana selama inspeksi masuk.

 

FAQ

Apakah besi cor kelabu bersifat magnetis?

Ya. Ini bersifat feromagnetik pada suhu kamar; Namun, permeabilitas dan histeresisnya sangat bergantung pada matriks (ferit vs perlit), konten dan pemrosesan grafit.

Bisakah saya menggunakan besi abu-abu sebagai bahan inti magnet?

Bukan untuk inti AC berkinerja tinggi. Besi abu-abu dapat membawa fluks dan memberikan pelindung parsial pada frekuensi rendah, tetapi baja listrik atau paduan magnet lunak memberikan hasil yang jauh lebih baik, kinerja yang dapat diprediksi dengan kerugian yang lebih rendah.

Bagaimana grafit mempengaruhi hasil MPI?

Grafit mengurangi permeabilitas lokal dan menyebabkan anisotropi.

Daerah feritik lebih mudah termagnetisasi dan menunjukkan sensitivitas MPI yang lebih tinggi; daerah perlitik/dingin memerlukan magnetisasi yang lebih kuat dan mungkin memerangkap remanen.

Data magnetik apa yang harus saya minta dari pemasok?

Meminta: perwakilan putaran B–H (dua orientasi jika memungkinkan), μr awal dan maksimum, pemaksaan (Hc), saturasi Bs dan deskripsi orientasi terukur/perlakuan panas. Minta juga foto metalografi yang menunjukkan morfologi grafit.

Bagaimana cara mengurangi magnetisasi remanen setelah MPI?

Gunakan demagnetisasi AC terkontrol (secara bertahap mengurangi bidang bolak-balik) atau terapkan medan DC reverse sedikit lebih tinggi dari medan remanen, sesuai praktik standar NDT. Verifikasi bidang sisa dengan gaussmeter.