Proprietà magnetiche della ghisa grigia

1. Introduzione

Grigio (grigio) la ghisa è un materiale ingegneristico ferromagnetico il cui comportamento magnetico è determinato dalla matrice di ferro (ferrite/perlite/cementite), Morfologia delle scaglie di grafite e storia della lavorazione.

Queste caratteristiche microstrutturali controllano la permeabilità, coercitività, saturazione e perdite: parametri importanti per l'ispezione con particelle magnetiche, schermatura magnetica, vicinanza a motori/generatori e comportamento a correnti parassite.

Questa guida spiega la fisica, fornisce una guida pratica alla misurazione, presenta intervalli numerici tipici per microstrutture comuni, e mostra come progettare e testare i getti quando le prestazioni magnetiche sono importanti.

2. Magnetismo di base nei materiali ferrosi

Ferromagnetismo nei materiali a base di ferro deriva da momenti magnetici allineati (elettroni spaiati) negli atomi di Fe.

In un campo applicato H, i domini si allineano producendo la densità del flusso magnetico B. La relazione BH – non è lineare e mostra isteresi.

Alcuni concetti essenziali:

• B (densità del flusso magnetico) E H (campo magnetizzante) sono legati dalla curva BH non lineare.
• Permeabilità relativa (μr) misura quanto è più facile magnetizzare un materiale rispetto al vuoto (μr = B/(μ0H)).
• Coercitività (Hc) è il campo inverso necessario per ridurre B a zero dopo la magnetizzazione (una misura di quanto sia “difficile” rimuovere la magnetizzazione).
• Rimanenza (Fratello) è la densità di flusso residua quando H ritorna a zero.
• Densità del flusso di saturazione (Bs) è il massimo B che il materiale può sostenere (limitato dalla frazione volumetrica ferromagnetica).
• Temperatura di Curie (Tc) è la temperatura al di sopra della quale il ferromagnetismo scompare (per fasi ferrose intorno a ~770 °C, leggermente modificato mediante lega).

La ghisa grigia si comporta come a ferromagnete morbido a temperatura ambiente (bassa coercività rispetto ai magneti permanenti), ma con perdite di permeabilità e isteresi che dipendono fortemente dalla microstruttura.

3. Cosa controlla il magnetismo nella ghisa grigia？

Ghisa grigia comprende fiocchi di grafite inglobato in una matrice di ferro (ferrite e/o perlite e talvolta cementite). Ogni costituente influenza il magnetismo:

• Ferrite (α-Fe) — Ferro cubico a corpo centrato. Ferromagnetico morbido; contribuisce a una maggiore permeabilità e a una bassa coercività.
• Pearlite (miscela di ferrite e cementite Fe₃C) — le regioni perlitiche contengono lamelle di ferrite intercalate con cementite;
  questi riducono la permeabilità effettiva e aumentano la coercività rispetto alla ferrite pura perché la cementite non è ferromagnetica (o debolmente magnetico) e crea il blocco del dominio.
• Cementite (Fe₃c) — non fortemente ferromagnetico; agisce come un diluente magnetico e un sito di fissaggio sulla parete del dominio.
• Fiocchi di grafite — inclusioni elettricamente e strutturalmente discontinue. La grafite stessa non è ferromagnetica; i fiocchi interrompono la continuità magnetica e creano concentrazioni di stress locali e campi smagnetizzati interni.
  Il risultato netto è una riduzione della permeabilità effettiva e un aumento delle perdite per isteresi rispetto ad una matrice completamente ferritica.

Perciò: più ferrite → μr più alto, minore coercitività; più perlite/cementite → minore μr, maggiore coercività e perdita di isteresi.

Morfologia della grafite (misurare, orientamento, frazione di volume) controlla l'anisotropia e la diffusione del flusso magnetico.

4. Principali parametri magnetici e come vengono misurati

• Curva BH-BH / ciclo di isteresi — misurato con un permeametro o un telaio Epstein (per acciai da laminazione) e dà μr(H), Hc, Fratello, e Bs.
• Permeabilità relativa, μr (iniziale e massimo) — μr iniziale al piccolo H (determina la risposta ai piccoli segnali) e μr massimo a campi moderati.
• Coercitività Hc (A/m o Oe) E rimane la densità di flusso Br (T) — indicare quanto è “morbido” o “duro” il comportamento magnetico.
  Il ferro grigio è un ferromagnete morbido (basso Hc) rispetto ai materiali a magneti permanenti ma tipicamente più duro degli acciai ricotti a basso tenore di carbonio se il contenuto di perlite/cementite è elevato.
• Densità del flusso di saturazione Bs (T) — misurato ad alta H; il Bs del ferro grigio è inferiore a quello del ferro puro a causa delle fasi non magnetiche e della porosità.
• Temperatura di Curie Tc — per fasi ferrose ~770 °C; le leghe e la microstruttura spostano leggermente la Tc; misurato con analisi termomagnetica.

Strumenti tipici di misura:

• Portatile misuratori di permeabilità per controlli rapidi in negozio.
• Magnetometro per campioni vibranti (VSM) E isteresigrafo per i loop B–H di laboratorio.
• Sonde a correnti parassite E analizzatori di impedenza per permeabilità e perdita dipendenti dalla frequenza.

5. Proprietà magnetiche dei tipici gradi di ghisa grigia

Di seguito è riportato un compatto, visualizzazione della tabella dei dati incentrata sull'ingegneria rappresentante intervalli di proprietà magnetiche per le comuni microstrutture della ghisa grigia e per tre gradi comunemente specificati.

Poiché la componente magnetica della ghisa dipende fortemente dal processo, queste cifre sono intervalli destinati alla progettazione preliminare: per le parti magneticamente critiche, richiedere i circuiti B–H sui coupon rappresentativi.

Come leggere e utilizzare questa tabella (guida pratica)

• Iniziale μr è la permeabilità dei piccoli segnali, rilevante per i sensori, piccoli campi DC e la prima fase di magnetizzazione negli NDT.
• Massimo μr indica la rapidità con cui il materiale concentrerà il flusso prima di avvicinarsi alla saturazione: è importante quando si prevedono percorsi di perdita o shunt.
• Coercitività (Hc) mostra quanto sia “duro” il materiale da smagnetizzare dopo essere stato magnetizzato (Hc più alto → campo più rimanente dopo MPI). Converti A/m → Oe dividendo per ≈79,577 (per esempio., 800 A/m ≈ 10.05 Ehi).
• Saturazione Bs è il limite superiore pratico per la densità del flusso; il valore Bs della ghisa grigia è inferiore a quello del ferro puro e di molti acciai perché la grafite e la cementite non magnetiche riducono la frazione volumetrica ferromagnetica.
• Resistività relativa è dato come multiplo della resistività dell'acciaio dolce (qualitativo).
  Una resistività più elevata riduce le correnti parassite alle frequenze CA: un vantaggio per gli alloggiamenti dei macchinari rotanti o laddove le perdite parassite potrebbero costituire un problema.

6. Come la chimica, la microstruttura e la lavorazione modificano le proprietà magnetiche

Lega:

• Contenuto di carbonio & grafitizzazione: maggiore carbonio libero → più grafite → ridotti μr e Bs.
• Silicio promuove la grafitizzazione e aumenta la resistività; il Si moderato tende a ridurre la permeabilità rispetto al ferro puro.
• Zolfo, fosforo e altri oligoelementi influenzano la morfologia della grafite e quindi la continuità magnetica.
• Elementi leganti come Ni, Cr, Mn modificare le interazioni di scambio magnetico e può abbassare la temperatura di Curie o modificare la coercività.

Trattamento termico:

• Ricottura (ferritizzante) aumenta la frazione di ferrite, aumenta μr e riduce la coercività (ammorbidisce la risposta magnetica).
• Normalizzazione / raffreddamento più rapido aumenta perlite/cementite → riduce μr e aumenta Hc.
• Riscaldamento o saldatura localizzata può creare disomogeneità magnetica e stress residuo, che modifica la permeabilità locale e può essere rilevato in modo non distruttivo.

Deformazione meccanica:

• La lavorazione a freddo introduce dislocazioni e stress residuo → il bloccaggio delle pareti del dominio aumenta la coercività e riduce la permeabilità. Il sollievo dallo stress riduce questi effetti.

Porosità & inclusioni:

• I pori e le inclusioni non magnetiche interrompono i percorsi del flusso e riducono i μr e i Bs effettivi. Possono anche aumentare l'isteresi e la perdita.

7. Effetti di anisotropia ed scaglie di grafite: perché è importante l'orientamento del getto

I fiocchi di grafite tendono a farlo orientare perpendicolarmente al flusso di calore durante la solidificazione, spesso allineandosi approssimativamente parallelamente alle superfici dello stampo. I fiocchi producono anisotropia magnetica:

• Viaggiare nel flusso parallelo ai fiocchi incontra campi di smagnetizzazione diversi rispetto ai fiocchi che attraversano il flusso perpendicolare al loro aereo.
• Così misurato μr E spettri di permeabilità può dipendere dalla direzione; in pratica ciò significa che i circuiti magnetici che utilizzano getti dovrebbero considerare l'orientamento - ad es., allineando i percorsi del flusso per attraversare la direzione più permeabile ove possibile.

I fiocchi di grafite creano anche campi di deformazione locali, che influenzano ulteriormente il movimento della parete del dominio e quindi il comportamento dell'isteresi.

8. Resistività elettrica, Correnti parassite e perdite magnetiche nella ghisa grigia

• Resistività: La ghisa grigia in genere ha maggiore resistività elettrica rispetto all'acciaio a basso tenore di carbonio perché le scaglie di grafite e le impurità interrompono i percorsi degli elettroni.
  Qualitativamente: la resistività della ghisa grigia è diversi× quello del tipico acciaio a basso tenore di carbonio. Una resistività più elevata riduce l'entità delle correnti parassite per un dato campo magnetico alternato.
• Perdita per correnti parassite: Per magneti AC, perdita = perdita per isteresi + perdita per correnti parassite.
  A causa della maggiore resistività e della struttura a scaglie, le perdite parassite nella ghisa grigia sono spesso inferiori rispetto all'acciaio denso con permeabilità simile, rendendo la ghisa grigia relativamente attraente laddove esistono campi magnetici a frequenza da bassa a moderata e le perdite parassite sono importanti.
  Tuttavia, le scaglie di grafite possono creare microcircuiti che complicano la previsione delle perdite.
• Perdita di isteresi: Aumentato da perlite/cementite e fissaggio a muro del dominio; la ghisa grigia con un'elevata frazione di perlite presenta tipicamente una perdita di isteresi maggiore rispetto alla ghisa ferritica.

Implicazioni progettuali: per circuiti magnetici a bassa frequenza (DC o statico), il ferro grigio può trasportare flusso ma non si adatta ai nuclei elettrici in acciaio per circuiti magnetici CA ad alta efficienza.

Per componenti in cui la perdita magnetica è secondaria (alloggiamenti del motore vicino ai motori, superfici di montaggio magnetiche), la combinazione di moderata permeabilità e ridotta perdita di vortici della ghisa grigia può essere accettabile.

9. Applicazioni pratiche e implicazioni

Ispezione delle particelle magnetiche (MPI)

• Il ferro grigio lo è magnetizzabile e ampiamente ispezionato utilizzando MPI per difetti superficiali e vicini alla superficie.
  La risposta magnetica (facilità di magnetizzazione e corrente richiesta) dipende dalla permeabilità: i getti ferritici sono più facili da magnetizzare rispetto a quelli perlitici. L'orientamento del campo rispetto alle scaglie di grafite è importante per la sensibilità.

Motore & Alloggiamenti del generatore, telai e custodie

• Gli alloggiamenti in ghisa grigia sono comunemente usati per il supporto meccanico vicino a macchine magnetiche. La loro permeabilità magnetica può causare shunt magnetici o alterare i modelli di campo disperso.
  I progettisti devono tenere conto dell'accoppiamento magnetico (per esempio., correnti indotte, dispersione magnetica) quando gli involucri sono vicini a bobine attive o magneti permanenti.

Emi / schermatura magnetica

• Il ferro grigio può fungere da percorso magnetico o da scudo parziale per i campi a bassa frequenza grazie alla sua permeabilità, Ma leghe magnetiche morbide specializzate o acciai elettrici laminati sono preferiti dove sono richieste un'elevata efficacia di schermatura e basse perdite.
  La maggiore resistività della ghisa grigia aiuta alle frequenze intermedie, ma la mancanza di permeabilità controllata e l'anisotropia limitano le prestazioni.

Test con correnti parassite e accoppiamento EMI

• Una maggiore resistività è vantaggiosa per ridurre le correnti parassite negli ambienti CA; Tuttavia, le scaglie di grafite e la porosità consentono una previsione dettagliata dell'effetto pelle e del complesso di distribuzione dei vortici.

Posizione del sensore magnetico e campi vaganti

• Ingegneri che utilizzano fluxgate, I sensori Hall o induttivi vicini alle fusioni devono considerare le anomalie magnetiche locali dovute alla microstruttura disomogenea della ghisa e alle tensioni residue.

10. Migliori pratiche di misurazione e considerazioni NDT

• Quando misurare: specificare la permeabilità o la curva BH per getti magneticamente critici (alloggiamenti dei cuscinetti negli attuatori elettromagnetici, telai che fanno parte di un circuito magnetico).
• Come misurare: piccoli tagliandi (posizione e orientamento rappresentativi) misurato in laboratorio con un permeametro o VSM;
  per l'accettazione del negozio, vengono utilizzati misuratori di permeabilità portatili o test ad anello/collare.
  Segnalateli entrambi μr iniziale E μr nel campo pertinente (per esempio., 0.5–1,0 t) più il ciclo di isteresi se le perdite CA sono importanti.
• Per MPI: calibrare la corrente di magnetizzazione al minimo richiesto per rivelare difetti senza stimolare la rimanenza indesiderata;
  ricordare che le differenze di coercività possono modificare il mantenimento della magnetizzazione (influisce sulla smagnetizzazione dopo il test).
• Orientamento della registrazione: riportare sempre l'orientamento del test (parallelo/perpendicolare alla superficie di fusione) perché esiste l'anisotropia.

11. Idee sbagliate comuni & Chiarimenti

Tutta la ghisa grigia è altamente magnetica

Falso. La forza magnetica dipende dalla fase della matrice: Il ferritico EN-GJL-200 è fortemente magnetico (μᵢ = 380 H/m), mentre il perlitico EN-GJL-300 è moderatamente magnetico (μᵢ = 220 H/m). Gradi ricchi di grafite (C >3.5%) hanno una risposta magnetica debole.

Il contenuto di carbonio non influisce sul magnetismo

Falso. Il carbonio forma grafite non magnetica, aumentando C da 3.0% A 3.8% riduce la permeabilità del 30–40% (fondamentale per applicazioni ad alta intensità magnetica).

La ghisa grigia può sostituire l'acciaio al silicio nei motori ad alta potenza

Falso. L'acciaio al silicio ha μₘ = 5000–8000 H/m (2–4 volte superiore rispetto alla ghisa grigia) e una minore perdita di isteresi: la ghisa grigia è limitata a potenze medio-basse (≤5kW) applicazioni.

Il trattamento termico non ha alcun impatto sulle proprietà magnetiche

Falso. La ricottura converte la perlite in ferrite, aumento μᵢ del 30–35%: fondamentale per ottimizzare le prestazioni magnetiche nei componenti post-colati.

12. Conclusione

La ghisa grigia è magnetica, ma materiale sensibile alla microstruttura.

Le microstrutture ferritiche garantiscono la migliore permeabilità e la minima perdita di isteresi, mentre le microstrutture perlitiche/refrigerate riducono la permeabilità e aumentano la coercività e l'isteresi.

Le scaglie di grafite introducono anisotropia e riducono localmente la continuità magnetica ma aumentano la resistività elettrica (utile per limitare le correnti parassite).

Per qualsiasi cosa magneticamente importante fusione (MPI, prossimità di dispositivi elettromagnetici, schermatura parziale) specificare e misurare parametri magnetici (μr iniziale, Ciclo B-H, coercitività, orientamento) sui tagliandi rappresentativi.

In caso di dubbio, chiedere alla fonderia i dati BH o condurre semplici test di permeabilità durante l'ispezione in entrata.

 

Domande frequenti

È in ghisa grigia magnetica?

SÌ. È ferromagnetico a temperatura ambiente; Tuttavia, la sua permeabilità e isteresi dipendono fortemente dalla matrice (ferrite vs perlite), contenuto e lavorazione della grafite.

Posso usare la ghisa grigia come materiale del nucleo magnetico?

Non per nuclei CA ad alte prestazioni. La ghisa grigia può trasportare flusso e fornire una schermatura parziale alle basse frequenze, ma gli acciai elettrici o le leghe magnetiche dolci danno molto meglio, prestazioni prevedibili con perdite inferiori.

In che modo la grafite influisce sui risultati MPI?

La grafite riduce la permeabilità locale e provoca anisotropia.

Le regioni ferritiche si magnetizzano più facilmente e mostrano una maggiore sensibilità MPI; le aree perlitiche/raffreddate richiedono una magnetizzazione più forte e possono intrappolare la rimanenza.

Quali dati magnetici devo richiedere a un fornitore?

Richiesta: rappresentante Circuiti B-H (due orientamenti se possibile), μr iniziale e massimo, coercitività (Hc), saturazione Bs e una descrizione dell'orientamento/trattamento termico misurato. Richiedere anche foto metallografiche che mostrano la morfologia della grafite.

Come posso ridurre la magnetizzazione rimanente dopo l'MPI?

Utilizzare la smagnetizzazione CA controllata (campo alternato gradualmente decrescente) oppure applicare un campo inverso CC leggermente superiore al campo rimanente, secondo la pratica standard NDT. Verificare il campo residuo con un gaussmetro.