ねずみ鋳鉄の磁気特性

1. 導入

グレー (グレー) 鋳鉄は強磁性工学材料であり、その磁気的挙動は鉄母材によって設定されます。 (フェライト/パーライト/セメンタイト), グラファイトフレークの形態と加工履歴.

これらの微細構造の特徴が透過性を制御します, 保磁力, 飽和と損失 - 磁粉検査に重要なパラメータ, 磁気シールド, モーター/発電機への近接性および渦電流動作.

このガイドでは物理学について説明します, 実践的な測定指導を提供します, 一般的な微細構造の典型的な数値範囲を示します。, 磁気性能が重要な場合に鋳物を設計およびテストする方法を示します。.

2. 鉄材料の基本的な磁性

強磁性 鉄ベースの材料では、整列した磁気モーメントから発生します。 (不対電子) Fe原子で.

適用フィールド H の下で, ドメインが整列して磁束密度 B を生成. B-H 関係は非線形であり、ヒステリシスを示します。.

いくつかの重要な概念:

• B (磁束密度) そして H (磁場) 非線形 B-H 曲線によって関係付けられます.
• 比透磁率 (μr) 材料が真空に比べてどれだけ磁化されやすいかを測定します。 (μr = B/(μ0H)).
• 保磁力 (HC) 磁化後に B をゼロにするために必要な逆磁場です。 (磁化を除去するのがどれだけ「難しい」かを示す尺度).
• 残留磁束 (Br) H がゼロに戻るときの残留磁束密度です。.
• 飽和磁束密度 (Bs) 材料が耐えられる最大 B です。 (強磁性体積分率によって制限される).
• キュリー温度 (Tc) 強磁性が消える温度です (約 770 °C の鉄相の場合, 合金化によりわずかに変化).

ねずみ鋳鉄は次のように動作します。 柔らかい強磁性体 室温で (永久磁石と比べて保磁力が低い), ただし、透磁率とヒステリシス損失は微細構造に大きく依存します.

3. ねずみ鋳鉄の磁性を制御するものは何ですか?

灰色の鋳鉄 からなる グラファイトフレーク 鉄母材に埋め込まれている (フェライトおよび/またはパーライト、および場合によってはセメンタイト). 各成分が磁性に影響を与える:

• フェライト (α-Fe) — 体心立方鉄. ソフト強磁性体; より高い透磁率と低い保磁力に貢献します.
• 真珠 (フェライトとセメンタイトの混合物 Fe₃C) — パーライト領域には、セメンタイトが挟まれたフェライトのラメラが含まれています;
  セメンタイトは非強磁性であるため、純粋なフェライトと比較して実効透磁率が低下し、保磁力が増加します。 (または弱い磁性) ドメイン固定を作成します.
• セメンタイト (Fe₃c) — 強い強磁性ではない; 磁性希釈剤および磁壁固定サイトとして機能します。.
• グラファイトフレーク — 電気的および構造的に不連続な介在物. グラファイト自体は強磁性ではありません; フレークは磁気の連続性を遮断し、局所的な応力集中と内部減磁場を生成します。.
  最終的な結果は、完全なフェライト系マトリックスと比較して実効透磁率が低下し、ヒステリシス損失が増加することです。.

したがって: フェライトが多い → μrが高い, 保磁力が低い; パーライト/セメンタイトが多い → μrが低い, より高い保磁力とヒステリシス損失.

黒鉛の形態 (サイズ, 向き, 体積分率) 磁束の異方性と散乱を制御.

4. 主要な磁気パラメータとその測定方法

• B-H 曲線 / ヒステリシスループ — 透過率計またはエプスタインフレームで測定 (ラミネート鋼用) そしてμrを与えます(H), HC, Br, および B.
• 比透磁率, μr (初期と最大) — 小さい H での初期μr (小信号応答を決定します) 中程度の磁場での最大μr.
• 保磁力Hc (午前または大江) そして 残留磁束密度Br (T) — 磁気の挙動がどの程度「柔らかい」か「硬い」かを示します.
  ねずみ鉄は柔らかい強磁性体です (低Hc) 永久磁石材料と比較すると、パーライト/セメンタイト含有量が高い場合は、通常、焼きなました低炭素鋼よりも硬くなります。.
• 飽和磁束密度Bs (T) — 高い H で測定; ねずみ鉄の Bs は、非磁性相と気孔率により純鉄よりも低くなります。.
• キュリー温度 Tc — 鉄相の場合 ~770 °C; 合金と微細構造により Tc がわずかに変化します; 熱磁気分析で測定.

代表的な測定ツール:

• ポータブル 透過率計 簡単なショップチェックのために.
• 振動試料磁力計 (VSM) そして ヒステリシスグラフ 実験室用 B–H ループ用.
• 渦電流プローブ そして インピーダンスアナライザ 周波数依存の透磁率と損失について.

5. 代表的なねずみ鋳鉄グレードの磁気特性

以下はコンパクトです, エンジニアリングに焦点を当てたデータテーブルの表示 代表 一般的なねずみ鉄微細構造および一般的に指定される 3 つのグレードの磁気特性範囲.

鋳鉄磁石はプロセスに大きく依存するため、これらの数値は予備設計を目的とした範囲です。磁気的に重要な部品については、代表的なクーポンの B–H ループをリクエストしてください。.

この表の見方と使い方 (実践的な指導)

• 初期μr は小信号の透過率です - センサーに関連します, 小さな DC 磁場と NDT の最初の磁化ステップ.
• 最大μr 飽和に近づく前に材料がどの程度容易に磁束を集中させるかを示します。漏れ経路やシャントを予測する際に重要です。.
• 保磁力 (HC) 材料が磁化された後に消磁しにくいことを示します。 (Hc が高い → MPI 後の残留磁場が増加). ≈79.577 で割って A/m → Oe に変換します (例えば, 800 午前/分 ≈ 10.05 大江).
• 飽和B 磁束密度の実際的な上限です。; ねずみ鋳鉄の Bs は、非磁性黒鉛とセメンタイトによって強磁性体積分率が減少するため、純鉄や多くの鋼の Bs よりも低くなります。.
• 相対抵抗率 軟鋼の抵抗率の倍数として与えられます (定性).
  抵抗率が高いと、AC周波数での渦電流が減少します。これは、回転機械のハウジングや渦損失が問題となる可能性がある場合に有利です。.

6. どのように化学, 微細構造と加工により磁気特性が変化する

合金化:

• 炭素含有量 & 黒鉛化: 遊離炭素の増加 → グラファイトの増加 → μr と Bs の減少.
• シリコン 黒鉛化を促進し、抵抗率を増加させます; 適度な Si は純鉄と比較して浸透性を低下させる傾向があります.
• 硫黄, リンおよびその他の微量元素 グラファイトの形態に影響を与え、ひいては磁気の連続性に影響を与える.
• Niなどの合金元素, Cr, ん 磁気交換相互作用を変化させ、キュリー温度を下げたり、保磁力を変更したりできます.

熱処理:

• アニーリング (フェライト化) フェライト分率が増加します, μrが増加し、保磁力が低下します (磁気反応を和らげます).
• 正規化 / より速い冷却 パーライト・セメンタイト増加 → μr減少、Hc増加.
• 局所加熱または溶接 磁気の不均一性と残留応力が発生する可能性があります, 局所的な透過性を変化させ、非破壊的に検出できます。.

機械的変形:

• 冷間加工により転位と残留応力が導入される → 磁壁の固定により保磁力が上昇し、透磁率が低下する. ストレスを軽減するとこれらの影響が軽減されます.

気孔率 & 内包物:

• 細孔と非磁性介在物は磁束経路を遮断し、実効μr と Bs を低下させます。. また、ヒステリシスや損失が増加する可能性があります。.

7. 異方性とグラファイトフレーク効果 – 鋳造方向が重要な理由

グラファイトフレークは次のような傾向があります。 凝固中に熱流に対して垂直に配向する, 多くの場合、金型表面とほぼ平行に整列します. フレークが生成します 磁気異方性:

• 磁束の移動 フレークと平行 フレークを横切る磁束とは異なる減磁場に遭遇します 垂直 彼らの飛行機へ.
• したがって 測定μr そして 透過率スペクトル 方向に依存する可能性があります; 実際には、これは、鋳物を使用する磁気回路が方向を考慮する必要があることを意味します。, 可能な場合、より透過性の高い方向を通過するように磁束経路を調整する.

グラファイトフレークも局所的なひずみ場を生成します, これは磁壁の動きにさらに影響を与え、それによってヒステリシスの挙動に影響を与えます。.

8. 電気抵抗率, ねずみ鉄の渦電流と磁気損失

• 抵抗率: ねずみ鋳鉄には通常、 より高い電気抵抗率 グラファイトフレークと不純物が電子の経路を妨害するため、低炭素鋼よりも優れています。.
  定性的に: ねずみ鉄の抵抗率は 数× 一般的な低炭素鋼のそれ. 抵抗率が高いと、特定の交流磁場の渦電流の大きさが減少します。.
• 渦電流損失: 交流磁石用, 損失 = ヒステリシス損失 + 渦電流損.
  高い抵抗率とフレーク構造のため, ねずみ鋳鉄の渦損失は、同様の透磁率を持つ緻密鋼よりも低いことがよくあります, 低周波数から中周波数の磁場が存在し、渦損失が問題となる場合、ねずみ鋳鉄は比較的魅力的になります。.
  しかし, グラファイトフレークは損失予測を複雑にする微細回路を形成する可能性がある.
• ヒステリシス損失: パーライト/セメンタイトおよびドメインウォールピンニングにより増加; パーライト分率が高いねずみ鋳鉄は、通常、フェライト鋳鉄よりもヒステリシス損失が高くなります。.

デザインへの影響: 低周波磁気回路用 (直流または静的), ねずみ鉄は磁束を運ぶことができますが、高効率 AC 磁気回路用の電気鋼コアには適合しません。.

磁気損失が二次的なコンポーネントの場合 (モーターの近くのエンジンハウジング, 磁気取り付け面), ねずみ鋳鉄の適度な透磁率と渦損失の低減の組み合わせは許容可能です.

9. 実際の応用とその影響

磁粉検査 (MPI)

• ねずみ鋳鉄は 磁化可能 MPI を使用して表面および表面近くの欠陥を広く検査します.
  磁気反応 (磁化のしやすさと必要電流) 透磁率に依存します - フェライト鋳物はパーライト鋳物よりも磁化しやすいです. グラファイトフレークに対する磁場の配向が感度に影響する.

モーター & ジェネレーターハウジング, フレームとエンクロージャ

• ねずみ鋳鉄製のハウジングは、磁気機械の近くの機械的サポートによく使用されます。. 透磁率により磁気分路が発生したり、漂遊磁界パターンが変化したりする可能性があります。.
  設計者は磁気結合を考慮する必要がある (例えば, 誘導電流, 磁気漏れ) エンクロージャがアクティブなコイルまたは永久磁石に近い場合.

EMI / 磁気シールド

• ねずみ鉄は、その透磁率により、低周波磁場の磁路または部分シールドとして機能します。, しかし 特殊な軟磁性合金または積層電磁鋼板 高いシールド効果と低損失が必要な場合に推奨されます。.
  ねずみ鋳鉄の高い抵抗率は中間周波数で役立ちます, しかし、制御された透過性と異方性の限界性能が欠如している.

渦電流試験とEMIカップリング

• 抵抗率の増加は、AC環境での渦電流の低減に有利です; しかし, グラファイトフレークと気孔率により、表皮効果と複雑な渦分布を詳細に予測できます.

磁気センサーの位置と漂遊磁界

• フラックスゲートを使用するエンジニア, 鋳物近くのホールまたは誘導センサーは、不均一な鋳鉄の微細構造と残留応力による局所的な磁気異常を考慮する必要があります.

10. 測定のベストプラクティスとNDTの考慮事項

• いつ測定するか: 磁気的に重要な鋳造品の透磁率または B-H 曲線を指定します (電磁アクチュエーターのベアリング ハウジング, 磁気回路の一部を形成するフレーム).
• 測定方法: 小さなクーポン (代表的な位置と方向) 実験室で透過率計または VSM を使用して測定;
  店頭受付用, ポータブル透過率計またはリング/カラーテストが使用されます.
  両方報告してください 初期μr そして 該当分野のμr (例えば, 0.5–1.0T) AC損失が重要な場合はヒステリシスループを追加.
• MPIの場合: 不要な残留磁気を刺激することなく、欠陥を明らかにするために必要な最低値に磁化電流を校正します。;
  保磁力の違いにより磁化の保持が変化する可能性があることに注意してください (テスト後の減磁に影響します).
• レコードの向き: テストの方向性を常に報告する (鋳肌に平行/垂直) 異方性が存在するため.

11. 一般的な誤解 & 説明

全ねずみ鋳鉄は磁性が高い

間違い. 磁性の強さは母相に依存します: フェライト系EN-GJL-200は強い磁性を持っています (μᵢ = 380 H/m), 一方、パーライトEN-GJL-300は中程度の磁性を持っています (μᵢ = 220 H/m). グラファイトリッチグレード (C >3.5%) 磁気反応が弱い.

炭素含有量は磁性に影響を与えません

間違い. 炭素は非磁性グラファイトを形成し、C が増加します。 3.0% に 3.8% 透過性を 30 ～ 40% 低下させます (高磁性アプリケーションにとって重要).

ねずみ鋳鉄は高出力モーターのシリコン鋼を置き換えることができます

間違い. ケイ素鋼のμₘ = 5000–8000 H/m (2-ねずみ鋳鉄よりも4倍高い) ヒステリシス損失が低い - ねずみ鋳鉄は低出力から中出力に限定されます。 (5kW以下) アプリケーション.

熱処理は磁気特性に影響を与えません

間違い. アニーリングによりパーライトがフェライトに変換されます, μᵢを 30 ～ 35% 増加させる - 鋳造後のコンポーネントの磁気性能を最適化するために重要.

12. 結論

ねずみ鋳鉄は磁性を持っています, しかし、微細構造に敏感な材料.

フェライト微細構造により、最高の透磁率と最低のヒステリシス損失が得られます。, 一方、パーライト/チルド微細構造は浸透性を低下させ、保磁力とヒステリシスを増加させます。.

グラファイトフレークは異方性を導入し、磁気の連続性を局所的に低下させますが、電気抵抗率を上昇させます。 (渦電流を制限するのに役立ちます).

磁気的に重要なものについては、 鋳造 (MPI, 電磁装置の近く, 部分的なシールド) 指定して測定する 磁気パラメータ (初期μr, B-Hループ, 保磁力, 向き) 代表クーポンについて.

迷ったときは, 鋳造工場に B-H データを依頼するか、受入れ検査中に簡単な透磁率テストを実施する.

 

よくある質問

ねずみ鋳鉄磁性体です?

はい. 室温では強磁性です; しかし, 透磁率とヒステリシスはマトリックスに大きく依存します (フェライト対パーライト), グラファイトの含有量と処理.

ねずみ鉄を磁心材料として使用できますか??

高性能ACコアには対応しておりません. ねずみ鉄は磁束を運び、低周波で部分的なシールドを提供できます。, しかし、電磁鋼または軟磁性合金の方がはるかに優れています。, 損失が少なく、予測可能なパフォーマンス.

グラファイトは MPI 結果にどのような影響を与えるか?

グラファイトは局所的な浸透性を低下させ、異方性を引き起こします.

フェライト領域は磁化しやすくなり、より高い MPI 感度を示します; パーライト/冷却領域ではより強い磁化が必要となり、残留磁気が閉じ込められる可能性があります.

サプライヤーにどのような磁気データを要求すればよいですか?

リクエスト: 代表 B-Hループ (可能であれば 2 つの方向), 初期および最大μr, 保磁力 (HC), 飽和Bsと測定された配向/熱処理の説明. グラファイトの形態を示す金属組織写真もリクエストしてください.

MPI後の残留磁化を減らすにはどうすればよいですか?

制御されたAC消磁を使用する (徐々に減少する交番磁場) または、残留磁場よりわずかに高い DC 逆磁場を適用します。, NDTの標準慣行に従って. ガウスメーターで残留磁場を確認する.