Sifat magnet besi tuang kelabu

1. Pengenalan

Kelabu (kelabu) Besi Cast adalah bahan kejuruteraan ferromagnetik yang tingkah laku magnetnya ditetapkan oleh matriks besi (Ferrite/Pearlite/Cementite), Morfologi Grafit dan Sejarah Pemprosesan.

Ciri -ciri mikrostruktur ini mengawal kebolehtelapan, Paksaan, Ketepuan dan Kerugian - Parameter yang penting untuk pemeriksaan zarah magnet, Perisai magnet, berdekatan dengan motor/penjana dan tingkah laku eddy semasa.

Panduan ini menerangkan fizik, Memberi panduan pengukuran praktikal, membentangkan julat berangka biasa untuk mikrostruktur biasa, dan menunjukkan cara merancang dan menguji casting apabila prestasi magnet penting.

2. Magnetisme asas dalam bahan ferus

Ferromagnetisme dalam bahan berasaskan besi timbul dari momen magnet yang sejajar (elektron tidak berpasangan) dalam atom Fe.

Di bawah medan yang digunakan h, Domain menyelaraskan menghasilkan ketumpatan fluks magnet b. Hubungan B -H tidak linear dan menunjukkan histeresis.

Beberapa konsep penting:

• B (Ketumpatan fluks magnet) dan H (medan magnet) berkaitan dengan lengkung B -H tak linear.
• Kebolehtelapan relatif (μr) mengukur seberapa mudah bahan adalah untuk magnetkan daripada vakum (μr = b/(μ0h)).
• Paksaan (HC) adalah medan terbalik yang diperlukan untuk mengurangkan b hingga sifar selepas magnetisasi (ukuran bagaimana "keras" magnetisasi adalah untuk menghapuskan).
• Remanence (Br) adalah ketumpatan fluks sisa apabila h kembali ke sifar.
• Ketumpatan fluks tepu (BS) adalah maksimum b bahan dapat bertahan (Terhad oleh pecahan isipadu ferromagnet).
• Suhu curie (TC) Adakah suhu di atas ferromagnetisme hilang (untuk fasa besi sekitar ~ 770 ° C, diubah sedikit dengan mengadili).

Besi tuang kelabu berkelakuan sebagai Ferromagnet lembut pada suhu bilik (paksaan rendah berbanding dengan magnet kekal), Tetapi dengan kebolehtelapan dan kerugian histerisis yang sangat bergantung pada struktur mikro.

3. Apa yang mengawal magnet dalam besi tuang kelabu？

Besi tuang kelabu terdiri daripada serpihan grafit tertanam dalam matriks besi (ferit dan/atau pearlite dan kadang -kadang simen). Setiap konstituen mempengaruhi kemagnetan:

• Ferrite (α-fe) -Besi padu berpusatkan badan. Ferromagnet lembut; Menyumbang kebolehtelapan yang lebih tinggi dan kesalinghubungan yang rendah.
• Pearlite (campuran ferit dan simen fe₃c) - Kawasan Pearlitik mengandungi lamellae ferit yang dihubungkan dengan simen;
  Ini mengurangkan kebolehtelapan yang berkesan dan meningkatkan kefahaman berbanding dengan ferit murni kerana simen adalah bukan ferromagnetik (atau lemah magnet) dan mencipta pinning domain.
• Simen (Fe₃c) - Tidak sangat ferromagnetik; bertindak sebagai tapak penyemakan dinding magnet dan domain.
• Serpihan grafit - Kemasukan elektrik dan struktur yang tidak berterusan. Grafit itu sendiri bukan ferromagnetik; serpihan mengganggu kesinambungan magnet dan mewujudkan kepekatan tekanan tempatan dan bidang demagnetizing dalaman.
  Hasil bersih adalah pengurangan kebolehtelapan yang berkesan dan peningkatan kerugian histerisis relatif terhadap matriks ferit sepenuhnya.

Oleh itu: lebih banyak ferit → lebih tinggi μr, Kesaksian yang lebih rendah; Lebih banyak pearlite/cementite → lebih rendah μr, Kekurangan dan kehilangan histerisis yang lebih tinggi.

Morfologi grafit (saiz, orientasi, pecahan volum) mengawal anisotropi dan penyebaran fluks magnet.

4. Parameter magnet utama dan bagaimana ia diukur

• B -H Curve / gelung histerisis - Diukur dengan bingkai permeameter atau Epstein (untuk keluli laminasi) dan memberikan μr(H), HC, Br, dan BS.
• Kebolehtelapan relatif, μr (awal dan maksimum) - μr awal pada h kecil (menentukan tindak balas isyarat kecil) dan μr maksimum pada medan sederhana.
• Paksaan HC (A/m atau oe) dan kekal ketumpatan fluks br (T) - Tunjukkan bagaimana "lembut" atau "keras" tingkah laku magnet adalah.
  Besi kelabu adalah ferromagnet lembut (HC rendah) Berkenaan dengan bahan magnet kekal tetapi biasanya lebih sukar daripada keluli karbon rendah yang dialisasi jika kandungan pearlite/simen adalah tinggi.
• Ketumpatan Fluks Ketepuan BS (T) - diukur pada h tinggi; BS Besi Kelabu lebih rendah daripada besi tulen kerana fasa bukan magnetik dan keliangan.
• Curie Suhu TC - Untuk Fasa Besi ~ 770 ° C; aloi dan mikrostruktur shift TC sedikit; diukur dengan analisis termomagnetik.

Alat pengukuran biasa:

• Mudah alih meter kebolehtelapan untuk pemeriksaan kedai cepat.
• Magnetometer sampel bergetar (VSM) dan Hysteresisgraph Untuk Laboratori B -H Loops.
• Probe Eddy-semasa dan Penganalisis impedans untuk kebolehtelapan dan kerugian yang bergantung kepada kekerapan.

5. Sifat magnet dari gred besi tuang kelabu biasa

Berikut adalah padat, Jadual data yang berfokus pada kejuruteraan menunjukkan wakil julat harta magnetik untuk mikrostruktur besi kelabu biasa dan untuk tiga gred yang biasa ditentukan.

Kerana magnet besi tuang sangat bergantung kepada proses angka-angka ini adalah julat yang dimaksudkan untuk reka bentuk awal-untuk bahagian kritikal magnetik meminta gelung B-H pada kupon wakil.

Cara membaca dan menggunakan jadual ini (Panduan Praktikal)

• ΜR awal adalah kebolehtelapan isyarat kecil-relevan untuk sensor, medan DC kecil dan langkah magnetisasi pertama di NDT.
• Maksimum μR Menunjukkan bagaimana bahan mudah akan menumpukan fluks sebelum menghampiri ketepuan - penting apabila meramalkan laluan kebocoran atau shunting.
• Paksaan (HC) menunjukkan bagaimana "keras" bahannya adalah demagnetize setelah dimagnetkan (lebih tinggi HC → lebih banyak medan remanen selepas MPI). Tukar A/M → OE dengan membahagikan dengan ≈79.577 (Mis., 800 A/m ≈ 10.05 OE).
• Ketepuan BS adalah had atas praktikal untuk ketumpatan fluks; BS Besi Kelabu lebih rendah daripada besi tulen dan banyak keluli kerana grafit dan simen bukan magnetik mengurangkan pecahan isipadu ferromagnet.
• Resistivity relatif diberikan sebagai pelbagai ketahanan keluli ringan (kualitatif).
  Resistivity yang lebih tinggi mengurangkan arus eddy pada frekuensi AC - kelebihan untuk perumahan jentera berputar atau di mana kerugian eddy boleh menjadi masalah.

6. Bagaimana kimia, Mikrostruktur dan pemprosesan perubahan sifat magnet

Aloi:

• Kandungan karbon & grafitisasi: karbon percuma yang lebih tinggi → lebih banyak grafit → dikurangkan μr dan bs.
• Silikon Menggalakkan grafit dan meningkatkan ketahanan; SI sederhana cenderung mengurangkan kebolehtelapan vs besi tulen.
• Sulfur, fosforus dan elemen jejak lain mempengaruhi morfologi grafit dan dengan itu kesinambungan magnet.
• Elemen aloi seperti ni, Cr, Mn Tukar interaksi pertukaran magnet dan dapat menurunkan suhu curie atau mengubah suai paksaan.

Rawatan haba:

• Penyepuhlindapan (ferritizing) Meningkatkan pecahan ferit, Meningkatkan μr dan mengurangkan kesalinghubungan (melembutkan tindak balas magnet).
• Menormalkan / penyejukan lebih cepat Meningkatkan Pearlite/Cementite → Mengurangkan μR dan Meningkatkan HC.
• Pemanasan atau kimpalan setempat boleh menghasilkan tekanan magnet dan tekanan sisa, yang mengubah kebolehtelapan tempatan dan dapat dikesan secara tidak sengaja.

Ubah bentuk mekanikal:

• Kerja sejuk memperkenalkan dislokasi dan tekanan sisa → pinning dinding domain menimbulkan kefahaman dan menurunkan kebolehtelapan. Pelepasan tekanan mengurangkan kesan ini.

Keliangan & Kemasukan:

• Liang dan kemasukan bukan magnetik mengganggu laluan fluks dan lebih rendah μr dan bs berkesan. Mereka juga boleh meningkatkan histeresis dan kerugian.

7. Kesan anisotropi dan grafit-mengapa orientasi pemutus penting

Serpihan grafit cenderung Orient tegak lurus ke aliran haba semasa pemejalan, sering menyelaraskan kira -kira selari dengan permukaan acuan. Serpihan menghasilkan Anisotropi magnet:

• Perjalanan fluks Selari dengan serpihan Menemui medan demagnetizing yang berbeza daripada serpihan melintasi fluks tegak lurus ke pesawat mereka.
• Oleh itu diukur μR dan spektrum kebolehtelapan boleh menjadi bergantung kepada arah; Dalam amalan ini bermakna litar magnet menggunakan casting harus mempertimbangkan orientasi - mis., menyelaraskan laluan fluks untuk melintasi arah yang lebih teliti di mana mungkin.

Flakes Grafit juga membuat medan terikan tempatan, yang seterusnya mempengaruhi gerakan dinding domain dan dengan demikian tingkah laku histerisis.

8. Resistiviti elektrik, arus eddy dan kehilangan magnet dalam besi kelabu

• Resistivity: Besi tuang kelabu biasanya mempunyai Resistiviti elektrik yang lebih tinggi daripada keluli rendah karbon kerana serpihan grafit dan kekotoran mengganggu laluan elektron.
  Secara kualitatif: Resistiviti besi kelabu adalah beberapa × keluli karbon rendah biasa. Resistivity yang lebih tinggi mengurangkan magnitud semasa eddy untuk medan magnet yang diberikan.
• Kerugian Eddy-semasa: Untuk magnet AC, kerugian = kehilangan histerisis + Kerugian Eddy-semasa.
  Kerana ketahanan yang lebih tinggi dan struktur serpihan, Kerugian eddy dalam besi kelabu sering lebih rendah daripada keluli padat kebolehtelapan yang serupa, Membuat besi kelabu agak menarik di mana medan magnet frekuensi rendah hingga sederhana wujud dan kerugian eddy penting.
  Walau bagaimanapun, Serpihan grafit boleh membuat litar mikro yang merumitkan ramalan kerugian.
• Kehilangan histerisis: Meningkat oleh pearlite/simen dan dinding domain; Besi kelabu dengan pecahan pearlit yang tinggi biasanya mempunyai kehilangan histerisis yang lebih tinggi daripada besi tuang ferit.

Implikasi reka bentuk: untuk litar magnet frekuensi rendah (DC atau statik), Besi kelabu boleh membawa fluks tetapi tidak akan sepadan dengan teras keluli elektrik untuk litar magnet AC kecekapan tinggi.

Untuk komponen di mana kehilangan magnet sekunder (perumahan enjin berhampiran motor, permukaan pemasangan magnet), Kombinasi kebolehtelapan sederhana kelabu dan kerugian eddy yang dikurangkan dapat diterima.

9. Aplikasi praktikal dan implikasi

Pemeriksaan zarah magnet (MPI)

• Besi kelabu adalah magnetizable dan diperiksa secara meluas menggunakan MPI untuk kecacatan permukaan dan permukaan berhampiran.
  Tindak balas magnet (kemudahan magnetisasi dan semasa yang diperlukan) Bergantung pada coran kebolehtelapan -ferritik lebih mudah untuk magnet daripada yang mutiara. Orientasi medan relatif terhadap kepingan grafit untuk kepekaan.

Motor & perumahan penjana, bingkai dan kandang

• Perumahan besi kelabu biasanya digunakan untuk sokongan mekanikal berhampiran mesin magnet. Kebolehtelapan magnet mereka boleh menyebabkan shunting magnet atau mengubah corak bidang liar.
  Pereka mesti menyumbang gandingan magnetik (Mis., arus yang disebabkan, kebocoran magnet) Apabila kandang hampir dengan gegelung aktif atau magnet kekal.

EMI / Perisai magnet

• Besi kelabu boleh bertindak sebagai laluan magnet atau perisai separa untuk medan frekuensi rendah kerana kebolehtelapannya, tetapi aloi magnet lembut khusus atau keluli elektrik berlapis lebih disukai di mana keberkesanan perisai yang tinggi dan kerugian rendah diperlukan.
  Resistiviti yang lebih tinggi besi kelabu membantu pada frekuensi perantaraan, Tetapi kekurangan kebolehtelapan terkawal dan prestasi had anisotropi.

Ujian eddy-arrent dan gandingan EMI

• Peningkatan ketahanan adalah berfaedah untuk mengurangkan arus eddy dalam persekitaran AC; Walau bagaimanapun, serpihan grafit dan keliangan membuat ramalan terperinci kesan kulit dan kompleks pengedaran eddy.

Lokasi sensor magnetik dan medan liar

• Jurutera menggunakan fluxgate, Dewan atau sensor induktif berhampiran casting mesti mempertimbangkan anomali magnet tempatan dari mikrostruktur besi tuang yang tidak berperikemanusiaan dan tekanan sisa.

10. Pengukuran Amalan Terbaik dan Pertimbangan NDT

• Bila hendak mengukur: Nyatakan kebolehtelapan atau lengkung B -H untuk casting kritikal magnetik (Bearing Housings dalam penggerak elektromagnetik, bingkai yang menjadi sebahagian daripada litar magnet).
• Bagaimana untuk mengukur: Kupon kecil (Lokasi dan orientasi wakil) diukur di makmal dengan permeameter atau VSM;
  untuk penerimaan kedai, Meter kebolehtelapan mudah alih atau ujian cincin/kolar digunakan.
  Laporkan kedua -duanya μR awal dan μr di medan yang berkaitan (Mis., 0.5-1.0 t) Plus Hysteresis Loop jika kerugian AC penting.
• Untuk MPI: menentukur magnetisasi arus ke yang paling rendah yang diperlukan untuk mendedahkan kecacatan tanpa merangsang remanen yang tidak diingini;
  Ingatlah bahawa perbezaan paksaan dapat mengubah penahan magnetisasi (mempengaruhi demagnetisasi selepas ujian).
• Orientasi rekod: Sentiasa melaporkan orientasi ujian (selari/tegak lurus ke permukaan pemutus) Kerana anisotropi wujud.

11. Kesalahpahaman umum & Penjelasan

Semua besi tuang kelabu sangat magnet

Palsu. Kekuatan magnet bergantung pada fasa matriks: Ferritic en-GJ-200 adalah sangat magnet (μᵢ = 380 H/m), Walaupun pearlitic en-gj-300 agak magnet (μᵢ = 220 H/m). Gred kaya grafit (C >3.5%) mempunyai tindak balas magnet yang lemah.

Kandungan karbon tidak menjejaskan kemagnetan

Palsu. Karbon membentuk grafit bukan magnet-meningkat dari C dari 3.0% ke 3.8% mengurangkan kebolehtelapan sebanyak 30-40% (Kritikal untuk aplikasi magnetik tinggi).

Besi tuang kelabu boleh menggantikan keluli silikon dalam motor kuasa tinggi

Palsu. Keluli silikon mempunyai μₘ = 5000-8000 h/m (2-4x lebih tinggi daripada besi tuang kelabu) dan kehilangan histerisis yang lebih rendah-besi tuang lancar terhad kepada kuasa rendah hingga sederhana (≤5 kW) aplikasi.

Rawatan haba tidak memberi kesan kepada sifat magnet

Palsu. Penyepuh menukar pearlite ke ferit, Meningkatkan μᵢ sebanyak 30-35%-critical untuk mengoptimumkan prestasi magnet dalam komponen pasca-cast.

12. Kesimpulan

Besi tuang kelabu adalah magnet, tetapi bahan sensitif mikrostruktur.

Struktur mikro ferit memberi kebolehtelapan terbaik dan kehilangan histerisis terendah, Walaupun mikrostruktur pearlitik/sejuk mengurangkan kebolehtelapan dan meningkatkan kefahaman dan histeresis.

Flakes Grafit Memperkenalkan Anisotropi dan Mengurangkan Kesinambungan Magnetik Lokal Tetapi Meningkatkan Rintangan Elektrik (berguna untuk mengehadkan arus pusar).

Untuk sebarang magnet yang penting Casting (MPI, berdekatan dengan peranti elektromagnet, perisai separa) nyatakan dan ukur parameter magnetik (μR awal, gelung B–H, Paksaan, orientasi) pada kupon wakil.

Apabila ragu-ragu, minta faundri untuk data B–H atau jalankan ujian kebolehtelapan mudah semasa pemeriksaan masuk.

 

Soalan Lazim

Adakah magnet besi tuang kelabu?

Ya. Ia adalah feromagnetik pada suhu bilik; Walau bagaimanapun, kebolehtelapan dan histerisisnya sangat bergantung pada matriks (ferit vs perlit), kandungan dan pemprosesan grafit.

Bolehkah saya menggunakan besi kelabu sebagai bahan teras magnet?

Bukan untuk teras AC berprestasi tinggi. Besi kelabu boleh membawa fluks dan menyediakan perisai separa pada frekuensi rendah, tetapi keluli elektrik atau aloi magnet lembut memberikan lebih baik, prestasi yang boleh diramal dengan kerugian yang lebih rendah.

Bagaimana grafit mempengaruhi hasil MPI?

Grafit mengurangkan kebolehtelapan tempatan dan menyebabkan anisotropi.

Kawasan ferit lebih mudah bermagnet dan menunjukkan sensitiviti MPI yang lebih tinggi; Kawasan pearlitik/sejuk memerlukan magnetisasi yang lebih kuat dan mungkin perangkap remanen.

Apa data magnet yang harus saya minta dari pembekal?

Permintaan: wakil B -H LOOPS (Dua orientasi jika boleh), μR awal dan maksimum, Paksaan (HC), ketepuan BS dan penerangan mengenai orientasi/rawatan haba yang diukur. Juga meminta foto metallografi yang menunjukkan morfologi grafit.

Bagaimana saya mengurangkan magnetisasi remanen selepas mpi?

Gunakan demagnetisasi AC terkawal (medan berselang secara beransur -ansur) atau memohon medan terbalik DC sedikit lebih tinggi daripada medan remanen, Amalan standard setiap NDT. Sahkan medan sisa dengan gaussmeter.