Pilko ketaus magnetinės savybės

1. Įvadas

Pilka (pilka) ketus yra feromagnetinė inžinerinė medžiaga, kurios magnetinį elgesį nustato geležies matrica (feritas/perlitas/cementitas), grafito dribsnių morfologija ir apdorojimo istorija.

Šios mikrostruktūros savybės kontroliuoja pralaidumą, prievarta, prisotinimas ir nuostoliai – parametrai, svarbūs magnetinių dalelių tikrinimui, magnetinis ekranavimas, artumas prie variklių/generatorių ir sūkurinių srovių veikimas.

Šis vadovas paaiškina fiziką, pateikia praktinių matavimo nurodymų, pateikia tipinius skaitinius dažnių mikrostruktūrų diapazonus, ir parodo, kaip suprojektuoti ir išbandyti liejinius, kai svarbus magnetinis veikimas.

2. Pagrindinis juodųjų medžiagų magnetizmas

Feromagnetizmas geležies pagrindo medžiagose atsiranda dėl suderintų magnetinių momentų (nesuporuoti elektronai) Fe atomuose.

Pagal taikomąjį lauką H, domenai susilygina ir sukuria magnetinio srauto tankį B. B – H ryšys yra netiesinis ir rodo histerezę.

Keletas esminių sąvokų:

• B (magnetinio srauto tankis) ir H (magnetizuojantis laukas) yra susiję netiesine B–H kreive.
• Santykinis pralaidumas (μr) matuoja, kiek lengviau įmagnetinti medžiagą nei vakuumą (μr = B/(μ0H)).
• Prievarta (Hc) yra atvirkštinis laukas, reikalingas B sumažinimui iki nulio po įmagnetinimo (matas, kaip „sunkiai“ pašalinamas įmagnetinimas).
• Remanencija (Br) yra liekamasis srauto tankis, kai H grįžta į nulį.
• Prisotinimo srauto tankis (Bs) yra didžiausias B, kurį medžiaga gali išlaikyti (ribojama feromagnetine tūrio dalimi).
• Curie temperatūra (Tc) yra temperatūra, kurią viršijus feromagnetizmas išnyksta (geležies fazėms apie ~770 °C, šiek tiek modifikuotas legiruojant).

Pilkasis ketus elgiasi kaip a minkštas feromagnetas kambario temperatūroje (maža koercija, palyginti su nuolatiniais magnetais), bet su pralaidumo ir histerezės nuostoliais, kurie labai priklauso nuo mikrostruktūros.

3. Kas valdo pilkojo ketaus magnetizmą?

Pilkasis ketus apima grafito dribsniai įterptas į geležinę matricą (feritas ir (arba) perlitas, o kartais ir cementitas). Kiekviena sudedamoji dalis veikia magnetizmą:

• Feritas (α-Fe) - į kūną orientuota kubinė geležis. Minkštas feromagnetinis; prisideda prie didesnio pralaidumo ir mažo koerciškumo.
• Perlitas (ferito ir cementito Fe₃C mišinys) — perlitinėse srityse yra ferito lamelių, susipynusių su cementitu;
  jie sumažina efektyvų pralaidumą ir padidina koercyvumą, palyginti su grynu feritu, nes cementitas yra neferomagnetinis (arba silpnai magnetinis) ir sukuria domeno prisegimą.
• Cementitas (Fe₃c) – nėra stipriai feromagnetinis; veikia kaip magnetinis skiediklis ir domeno sienelės tvirtinimo vieta.
• Grafito dribsniai — elektriškai ir struktūriškai nenutrūkstami intarpai. Pats grafitas nėra feromagnetinis; dribsniai nutraukia magnetinį tęstinumą ir sukuria vietines įtempių koncentracijas bei vidinius išmagnetinančius laukus.
  Grynasis rezultatas yra efektyvaus pralaidumo sumažėjimas ir didesni histerezės nuostoliai, palyginti su visiškai feritine matrica.

Todėl: daugiau ferito → didesnis μr, mažesnė prievarta; daugiau perlito/cementito → mažesnis μr, didesnis prievartos ir histerezės praradimas.

Grafito morfologija (dydis, orientacija, tūrio dalis) kontroliuoja anizotropiją ir magnetinio srauto sklaidą.

4. Pagrindiniai magnetiniai parametrai ir kaip jie matuojami

• B-H kreivė / histerezės kilpa - matuojamas permeametru arba Epstein rėmu (plienui laminuoti) ir suteikia μr(H), Hc, Br, ir Bs.
• Santykinis pralaidumas, μr (pradinis ir maksimalus) - pradinis μr mažame H (diktuoja mažo signalo atsaką) ir didžiausias μr vidutinio sunkumo laukuose.
• Prievarta Hc (A/m arba Oe) ir lieka srauto tankis Br (T) — nurodykite, koks „minkštas“ ar „kietas“ yra magnetinis elgesys.
  Pilka geležis yra minkštas feromagnetas (mažas Hc) palyginti su nuolatinio magneto medžiagomis, bet paprastai kietesnis nei atkaitintas mažai anglies turintis plienas, jei perlito/cementito kiekis yra didelis.
• Prisotinimo srauto tankis Bs (T) - matuojamas aukštu H; pilkosios geležies Bs yra mažesnis nei grynos geležies dėl nemagnetinių fazių ir poringumo.
• Curie temperatūra Tc — geležies fazėms ~770 °C; lydiniai ir mikrostruktūra šiek tiek pasislenka Tc; matuojamas termomagnetine analize.

Tipiški matavimo įrankiai:

• Nešiojami pralaidumo matuokliai greitiems parduotuvės patikrinimams.
• Vibruojantis mėginio magnetometras (VSM) ir histerezės grafikas laboratorinėms B–H kilpoms.
• Sūkurinių srovių zondai ir varžos analizatoriai nuo dažnio priklausomam pralaidumui ir praradimui.

5. Įprastų pilkojo ketaus rūšių magnetinės savybės

Žemiau yra kompaktiškas, į inžineriją orientuota duomenų lentelė atstovas magnetinių savybių diapazonai įprastoms pilkosios geležies mikrostruktūroms ir trims dažniausiai nurodytoms klasėms.

Kadangi ketaus magnetai labai priklauso nuo proceso, šie skaičiai yra preliminariam projektavimui skirtos ribos – magnetiškai svarbioms dalims reikalauti B–H kilpų tipiniuose kuponuose..

Kaip skaityti ir naudoti šią lentelę (praktinis nurodymas)

• Pradinis μr yra mažo signalo pralaidumas – svarbus jutikliams, maži nuolatinės srovės laukai ir pirmasis įmagnetinimo žingsnis NDT.
• Didžiausias μr nurodo, kaip lengvai medžiaga sukoncentruos srautą prieš artėjant prisotinimui – svarbu numatant nuotėkio kelius arba manevruojant.
• Prievarta (Hc) parodo, kaip „kietai“ medžiaga išmagnetinama po įmagnetinimo (didesnis Hc → daugiau išliekantis laukas po MPI). Konvertuokite A/m → Oe padalydami iš ≈79,577 (Pvz., 800 A/m ≈ 10.05 Oe).
• Sodrumas Bs yra praktinė viršutinė srauto tankio riba; pilkojo ketaus Bs yra mažesnis nei grynos geležies ir daugelio plienų, nes nemagnetinis grafitas ir cementitas sumažina feromagnetinę tūrio dalį.
• Santykinė varža pateikiamas kaip lengvosios plieno varžos kartotinis (kokybinis).
  Didesnė varža sumažina sūkurines sroves esant kintamosios srovės dažniui – tai privalumas besisukančių mašinų korpusams arba ten, kur sūkuriniai nuostoliai gali būti problema..

6. Kaip chemija, mikrostruktūra ir apdorojimas keičia magnetines savybes

Legiravimas:

• Anglies kiekis & grafitizacija: didesnis laisvosios anglies kiekis → daugiau grafito → redukuotas μr ir Bs.
• Silicis skatina grafitizaciją ir didina varžą; vidutinio sunkumo Si, palyginti su gryna geležimi, mažina pralaidumą.
• Sieros, fosforo ir kitų mikroelementų turi įtakos grafito morfologijai, taigi ir magnetiniam tęstinumui.
• Legiravimo elementai, tokie kaip Ni, Kr, Mn pakeisti magnetinių mainų sąveiką ir sumažinti Curie temperatūrą arba pakeisti koercityvumą.

Terminis apdorojimas:

• Atkaitinimas (feritizuojantis) padidina ferito frakciją, padidina μr ir sumažina koercityvumą (sušvelnina magnetinį atsaką).
• Normalizavimas / greitesnis aušinimas padidina perlitą/cementitą → sumažina μr ir padidina Hc.
• Vietinis šildymas arba suvirinimas gali sukurti magnetinį nehomogeniškumą ir liekamąjį įtempį, kuris keičia vietinį pralaidumą ir gali būti aptiktas neardomuoju būdu.

Mechaninė deformacija:

• Šaltasis apdorojimas sukelia išnirimus ir liekamąjį įtempimą → domeno sienelės tvirtinimas padidina koercityvumą ir sumažina pralaidumą. Streso mažinimas sumažina šiuos padarinius.

Poringumas & intarpai:

• Poros ir nemagnetiniai intarpai nutraukia srauto kelius ir sumažina efektyvius μr ir Bs. Jie taip pat gali padidinti histerezę ir nuostolius.

7. Anizotropija ir grafito dribsnių efektai – kodėl liejimo orientacija yra svarbi

Grafito dribsniai linkę kietėjimo metu orientuotis statmenai šilumos srautui, dažnai lygiagrečiai su pelėsių paviršiais. Dribsniai gamina magnetinė anizotropija:

• Flux kelionės lygiagrečiai dribsniams susiduria su skirtingais demagnetizuojančiais laukais nei srautą kertantys dribsniai statmenai į jų lėktuvą.
• Taigi išmatuotas μr ir pralaidumo spektrai gali priklausyti nuo krypties; praktiškai tai reiškia, kad magnetinės grandinės, kuriose naudojami liejiniai, turėtų atsižvelgti į orientaciją, pvz.,, sulygiuoti srauto kelius, kad jie, kur įmanoma, būtų skvarbesnė kryptimi.

Grafito dribsniai taip pat sukuria vietinius deformacijų laukus, kurie dar labiau veikia domeno sienelės judėjimą ir tokiu būdu histerezės elgesį.

8. Elektrinė varža, sūkurinės srovės ir magnetiniai nuostoliai pilkojoje geležyje

• Atsparumas: Pilkasis ketus paprastai turi didesnė elektrinė varža nei mažai anglies turinčio plieno, nes grafito dribsniai ir priemaišos sutrikdo elektronų kelius.
  Kokybiškai: pilkosios geležies savitoji varža yra kelis× kad tipiškas mažai anglies turintis plienas. Didesnė varža sumažina sūkurinės srovės dydį tam tikram kintamam magnetiniam laukui.
• Sūkurinės srovės praradimas: Skirta kintamosios srovės magnetams, nuostolis = histerezės nuostolis + sūkurinės srovės praradimas.
  Dėl didesnės varžos ir dribsnių struktūros, Sūkuriniai nuostoliai pilkojoje geležyje dažnai yra mažesni nei tankiame panašaus pralaidumo pliene, pilkoji geležis tampa palyginti patraukli ten, kur yra žemo ar vidutinio dažnio magnetiniai laukai ir svarbūs sūkurio nuostoliai.
  Tačiau, grafito dribsniai gali sukurti mikro grandines, kurios apsunkina nuostolių prognozavimą.
• Histerezės praradimas: Padidina perlito/cementito ir domeno sienelės tvirtinimu; pilkasis ketus su didele perlito frakcija paprastai turi didesnį histerezės nuostolį nei feritinis ketus.

Dizaino reikšmė: žemo dažnio magnetinėms grandinėms (DC arba statinis), pilka geležis gali nešti srautą, bet neatitiks elektrinių plieninių šerdžių didelio efektyvumo kintamosios srovės magnetinėms grandinėms.

Komponentams, kurių magnetiniai nuostoliai yra antriniai (variklių korpusai šalia variklių, magnetiniai tvirtinimo paviršiai), gali būti priimtinas pilkosios ketaus vidutinio pralaidumo ir mažesnio sūkurinių nuostolių derinys.

9. Praktiniai pritaikymai ir pasekmės

Magnetinių dalelių patikrinimas (MPI)

• Pilka geležis yra įmagnetinamas ir plačiai tikrinamas naudojant MPI paviršiaus ir arti paviršiaus defektams.
  Magnetinis atsakas (lengvas įmagnetinimas ir reikalinga srovė) priklauso nuo pralaidumo – feritinį liejinį lengviau įmagnetinti nei perlitinius. Lauko orientacija, palyginti su grafito dribsniais, yra svarbi jautrumui.

Variklis & Generatorių korpusai, rėmai ir gaubtai

• Pilkos spalvos geležies korpusai dažniausiai naudojami mechaninei atramai šalia magnetinių mašinų. Jų magnetinis pralaidumas gali sukelti magnetinį manevravimą arba pakeisti kintamo lauko modelius.
  Projektuotojai turi atsižvelgti į magnetinę jungtį (Pvz., indukuotos srovės, magnetinis nuotėkis) kai korpusai yra arti aktyvių ritinių arba nuolatinių magnetų.

EMI / magnetinis ekranavimas

• Pilka geležis dėl savo pralaidumo gali veikti kaip magnetinis kelias arba dalinis skydas žemo dažnio laukams, Bet specializuoti minkštieji magnetiniai lydiniai arba laminuotas elektrinis plienas Pirmenybė teikiama ten, kur reikalingas didelis ekranavimo efektyvumas ir nedideli nuostoliai.
  Didesnė pilkosios geležies varža padeda esant tarpiniams dažniams, tačiau kontroliuojamo pralaidumo ir anizotropijos trūkumas riboja veikimą.

Sūkurinių srovių bandymas ir EMI sujungimas

• Padidėjusi varža yra naudinga mažinant sūkurines sroves kintamosios srovės aplinkoje; Tačiau, grafito dribsniai ir poringumas leidžia detaliai nuspėti odos poveikį ir sūkurių pasiskirstymo kompleksą.

Magnetinio jutiklio vieta ir klaidinantys laukai

• Inžinieriai, naudojantys fluxgate, Holo arba indukciniai jutikliai šalia liejinių turi atsižvelgti į vietines magnetines anomalijas dėl netolygios ketaus mikrostruktūros ir liekamųjų įtempių.

10. Geriausia matavimo praktika ir NDT svarstymai

• Kada matuoti: nurodyti pralaidumą arba B–H kreivę magnetiškai kritiniams liejiniams (guolių korpusai elektromagnetinėse pavarose, rėmeliai, kurie yra magnetinės grandinės dalis).
• Kaip išmatuoti: maži kuponai (reprezentatyvi vieta ir orientacija) matuojamas laboratorijoje su permeametru arba VSM;
  parduotuvės priėmimui, naudojami nešiojamieji pralaidumo matuokliai arba žiedo/apykaklės testai.
  Pranešti apie abu pradinis μr ir μr atitinkamame lauke (Pvz., 0.5– 1,0 T) plius histerezės kilpa, jei svarbūs kintamosios srovės nuostoliai.
• Dėl MPI: sukalibruokite įmagnetinimo srovę iki mažiausios, reikalingos defektams atskleisti, neskatinant nepageidaujamo likimo;
  atminkite, kad koercyvumo skirtumai gali pakeisti įmagnetinimo išlaikymą (turi įtakos išmagnetinimui po bandymo).
• Įrašymo orientacija: visada praneškite apie testo kryptį (lygiagrečiai / statmenai liejimo paviršiui) nes egzistuoja anizotropija.

11. Dažnos klaidingos nuomonės & Paaiškinimai

Visas pilkasis ketus yra labai magnetinis

Netiesa. Magnetinis stiprumas priklauso nuo matricos fazės: Feritinis EN-GJL-200 yra stipriai magnetinis (μᵢ = 380 H/m), o perlitinis EN-GJL-300 yra vidutiniškai magnetinis (μᵢ = 220 H/m). Grafito turtingos markės (C >3.5%) turi silpną magnetinį atsaką.

Anglies kiekis neturi įtakos magnetizmui

Netiesa. Anglis sudaro nemagnetinį grafitą - didėja C nuo 3.0% į 3.8% sumažina pralaidumą 30-40% (labai svarbios didelės magnetinės srovės programoms).

Pilkasis ketus gali pakeisti silicio plieną didelės galios varikliuose

Netiesa. Silicio plieno μₘ = 5000–8000 H/m (2– 4 kartus didesnis nei pilkojo ketaus) ir mažesnis histerezės nuostolis – pilkasis ketus ribojamas nuo mažos iki vidutinės galios (≤5 kW) paraiškos.

Terminis apdorojimas neturi įtakos magnetinėms savybėms

Netiesa. Atkaitinimo metu perlitas paverčiamas feritu, μᵢ padidinimas 30–35 % – tai būtina norint optimizuoti po liejimo komponentų magnetinį veikimą.

12. Išvada

Pilkasis ketus yra magnetinis, bet mikrostruktūrai jautri medžiaga.

Feritinės mikrostruktūros užtikrina geriausią pralaidumą ir mažiausią histerezės nuostolį, o perlitinės / atšaldytos mikrostruktūros sumažina pralaidumą ir padidina koerciškumą bei histerezę.

Grafito dribsniai sukuria anizotropiją ir lokaliai sumažina magnetinį tęstinumą, tačiau padidina elektrinę varžą (padeda apriboti sūkurines sroves).

Bet kokiam magnetiniu požiūriu svarbiam liejimas (MPI, artumas prie elektromagnetinių prietaisų, dalinis ekranavimas) nurodyti ir išmatuoti magnetiniai parametrai (pradinis μr, B-H kilpa, prievarta, orientacija) ant reprezentacinių kuponų.

Kai kyla abejonių, Paklauskite liejyklos B–H duomenų arba atlikite paprastus pralaidumo bandymus gaunamos patikros metu.

 

DUK

Ar pilkojo ketaus magnetinis?

Taip. Kambario temperatūroje jis yra feromagnetinis; Tačiau, jo pralaidumas ir histerezė labai priklauso nuo matricos (feritas vs perlitas), grafito kiekis ir apdorojimas.

Ar galiu naudoti pilkąją geležį kaip magnetinę šerdies medžiagą?

Netinka didelio našumo kintamosios srovės šerdims. Pilka geležis gali nešti srautą ir užtikrinti dalinį ekraną esant žemiems dažniams, bet elektrinis plienas arba minkštieji magnetiniai lydiniai duoda daug geriau, nuspėjamas našumas su mažesniais nuostoliais.

Kaip grafitas veikia MPI rezultatus?

Grafitas sumažina vietinį pralaidumą ir sukelia anizotropiją.

Feritinės sritys lengviau įmagnetinamos ir rodo didesnį MPI jautrumą; perlitinės / vėsios vietos reikalauja stipresnio įmagnetinimo ir gali sulaikyti liekaną.

Kokių magnetinių duomenų turėčiau prašyti iš tiekėjo?

Prašymas: atstovas B-H kilpos (jei įmanoma, dvi orientacijos), pradinis ir didžiausias μr, prievarta (Hc), prisotinimo Bs ir išmatuotos orientacijos / terminio apdorojimo aprašymas. Taip pat paprašykite metalografijos nuotraukų, kuriose būtų parodyta grafito morfologija.

Kaip sumažinti išliekamąjį įmagnetinimą po MPI?

Naudokite kontroliuojamą kintamosios srovės išmagnetinimą (palaipsniui mažėjantis kintamasis laukas) arba taikyti DC atvirkštinį lauką, kuris yra šiek tiek didesnis nei liekamojo lauko, pagal NDT standartinę praktiką. Patikrinkite liekamąjį lauką gaussmetru.