Magnetische eigenschappen van grijs gietijzer

1. Invoering

Grijs (grijs) gietijzer is een ferromagnetisch technisch materiaal waarvan het magnetische gedrag wordt bepaald door de ijzermatrix (ferriet/perliet/cementiet), grafietvlokmorfologie en verwerkingsgeschiedenis.

Deze microstructurele kenmerken regelen de permeabiliteit, dwang, verzadiging en verliezen: parameters die van belang zijn voor de inspectie van magnetische deeltjes, magnetische afscherming, nabijheid van motoren/generatoren en wervelstroomgedrag.

In deze gids wordt de natuurkunde uitgelegd, geeft praktische meetrichtlijnen, presenteert typische numerieke bereiken voor gewone microstructuren, en laat zien hoe je gietstukken ontwerpt en test wanneer magnetische prestaties belangrijk zijn.

2. Basismagnetisme in ferromaterialen

Ferromagnetisme in materialen op ijzerbasis ontstaat door uitgelijnde magnetische momenten (ongepaarde elektronen) in Fe-atomen.

Onder een toegepast veld H, domeinen uitlijnen en produceren magnetische fluxdichtheid B. De B-H-relatie is niet-lineair en vertoont hysteresis.

Een paar essentiële concepten:

• B (magnetische fluxdichtheid) En H (magnetiserend veld) zijn gerelateerd aan de niet-lineaire B-H-curve.
• Relatieve permeabiliteit (µr) meet hoeveel gemakkelijker een materiaal te magnetiseren is dan vacuüm (µr = B/(μ0H)).
• Coërciviteit (Hc) is het tegengestelde veld dat nodig is om B na magnetisatie tot nul terug te brengen (een maatstaf voor hoe “hard” de magnetisatie moet worden verwijderd).
• Remanentie (Br) is de resterende fluxdichtheid wanneer H terugkeert naar nul.
• Verzadigingsfluxdichtheid (Bs) is de maximale B die het materiaal kan verdragen (beperkt door ferromagnetische volumefractie).
• Curie-temperatuur (Tc) is de temperatuur waarboven ferromagnetisme verdwijnt (voor ijzerfasen rond ~770 °C, enigszins gewijzigd door legering).

Grijs gietijzer gedraagt ​​zich als een zachte ferromagneet bij kamertemperatuur (lage coërciviteit ten opzichte van permanente magneten), maar met permeabiliteits- en hysteresisverliezen die sterk afhankelijk zijn van de microstructuur.

3. Wat regelt het magnetisme in grijs gietijzer？

Grijs gietijzer omvat grafietvlokken ingebed in een ijzermatrix (ferriet en/of perliet en soms cementiet). Elk bestanddeel beïnvloedt het magnetisme:

• Ferriet (α-Fe) - lichaamsgericht kubisch ijzer. Zacht ferromagnetisch; draagt ​​bij aan een hogere permeabiliteit en een lage coërciviteit.
• Parelliet (mengsel van ferriet en cementiet Fe₃C) — perlitische gebieden bevatten ferrietlamellen afgewisseld met cementiet;
  deze verminderen de effectieve permeabiliteit en verhogen de coërciviteit in vergelijking met puur ferriet, omdat cementiet niet-ferromagnetisch is (of zwak magnetisch) en creëert domein vastzetten.
• Cementiet (Fe₃c) — niet sterk ferromagnetisch; fungeert als een magnetisch verdunningsmiddel en als plaats voor het vastzetten van een domeinmuur.
• Grafietvlokken — elektrisch en structureel discontinue insluitsels. Grafiet zelf is niet ferromagnetisch; vlokken onderbreken de magnetische continuïteit en creëren lokale spanningsconcentraties en interne demagnetiserende velden.
  Het nettoresultaat is een vermindering van de effectieve permeabiliteit en verhoogde hysteresisverliezen ten opzichte van een volledig ferritische matrix.

Daarom: meer ferriet → hogere μr, lagere coërciviteit; meer perliet/cementiet → lagere μr, hogere coërciviteit en hysteresisverlies.

Grafietmorfologie (maat, oriëntatie, volumefractie) regelt anisotropie en verstrooiing van magnetische flux.

4. Belangrijke magnetische parameters en hoe ze worden gemeten

• B – H-curve / hysterese lus — gemeten met een permeameter of Epstein-frame (voor lamineerstaal) en geeft μr(H), Hc, Br, en B's.
• Relatieve permeabiliteit, µr (initiële en maximale) — initiële μr bij kleine H (dicteert de respons op kleine signalen) en maximale μr bij gematigde velden.
• Coërciviteit Hc (A/m of Oe) En blijf fluxdichtheid Br (T) — geef aan hoe “zacht” of “hard” het magnetische gedrag is.
  Grijs ijzer is een zachte ferromagneet (lage Hc) vergeleken met materialen met permanente magneten, maar doorgaans harder dan gegloeid koolstofarm staal als het perliet-/cementietgehalte hoog is.
• Verzadigingsfluxdichtheid Bs (T) — gemeten bij hoge H; De Bs van grijs ijzer is lager dan puur ijzer vanwege niet-magnetische fasen en porositeit.
• Curietemperatuur Tc — voor ijzerfasen ~770 °C; legeringen en microstructuur verschuiven Tc enigszins; gemeten met thermomagnetische analyse.

Typische meetinstrumenten:

• Draagbaar permeabiliteitsmeters voor snelle winkelcontroles.
• Trillende monstermagnetometer (VSM) En hysteresisgrafiek voor laboratorium B-H-lussen.
• Wervelstroomsondes En impedantie-analyzers voor frequentieafhankelijke permeabiliteit en verlies.

5. Magnetische eigenschappen van typische grijze gietijzersoorten

Hieronder vindt u een compact, technisch gerichte gegevenstabel weergegeven vertegenwoordiger magnetische eigenschapsbereiken voor gewone grijsijzermicrostructuren en voor drie algemeen gespecificeerde kwaliteiten.

Omdat gietijzeren magneten sterk procesafhankelijk zijn, zijn deze cijfers bedoeld voor voorlopig ontwerp - vraag voor magnetisch kritische onderdelen B-H-lussen op representatieve coupons.

Hoe u deze tabel leest en gebruikt (praktische begeleiding)

• Initiële μr is de permeabiliteit van het kleine signaal - relevant voor sensoren, kleine DC-velden en de eerste magnetisatiestap in NDT.
• Maximaal μr geeft aan hoe gemakkelijk het materiaal de flux zal concentreren voordat het de verzadiging nadert - belangrijk bij het voorspellen van lekpaden of rangeren.
• Coërciviteit (Hc) laat zien hoe “hard” het materiaal is om te demagnetiseren nadat het is gemagnetiseerd (hogere Hc → meer remanent veld na MPI). Converteer A/m → Oe door te delen door ≈79,577 (bijv., 800 EEN/m ≈ 10.05 Oe).
• Verzadiging Bs is de praktische bovengrens voor de fluxdichtheid; De Bs van grijs ijzer is lager dan die van puur ijzer en veel staalsoorten, omdat niet-magnetisch grafiet en cementiet de ferromagnetische volumefractie verminderen.
• Relatieve weerstand wordt gegeven als een veelvoud van de soortelijke weerstand van zacht staal (kwalitatief).
  Een hogere weerstand vermindert wervelstromen bij AC-frequenties - een voordeel voor roterende machinebehuizingen of waar wervelverliezen een probleem kunnen zijn.

6. Hoe chemie, microstructuur en verwerking veranderen magnetische eigenschappen

Legering:

• Koolstofgehalte & grafitisering: hogere vrije koolstof → meer grafiet → verminderde μr en Bs.
• Silicium bevordert grafitisering en verhoogt de weerstand; matig Si heeft de neiging de permeabiliteit te verminderen ten opzichte van puur ijzer.
• Zwavel, fosfor en andere sporenelementen beïnvloeden de grafietmorfologie en dus de magnetische continuïteit.
• Legeringselementen zoals Ni, Cr, Mn magnetische uitwisselingsinteracties veranderen en de Curie-temperatuur verlagen of de coërciviteit wijzigen.

Warmtebehandeling:

• Gloeien (ferritiserend) verhoogt de ferrietfractie, verhoogt μr en vermindert de coërciviteit (verzacht de magnetische respons).
• Normaliseren / snellere koeling verhoogt perliet/cementiet → verlaagt μr en verhoogt Hc.
• Gelokaliseerde verwarming of lassen kan magnetische inhomogeniteit en restspanning veroorzaken, waardoor de lokale permeabiliteit verandert en niet-destructief kan worden gedetecteerd.

Mechanische vervorming:

• Koud werken introduceert dislocaties en restspanning → het vastzetten van domeinmuren verhoogt de coërciviteit en verlaagt de permeabiliteit. Stressverlichting vermindert deze effecten.

Porositeit & insluitsels:

• Poriën en niet-magnetische insluitsels onderbreken fluxpaden en verlagen de effectieve μr en Bs. Ze kunnen ook de hysteresis en het verlies vergroten.

7. Anisotropie en grafietvlokeffecten: waarom de gietoriëntatie belangrijk is

Grafietvlokken hebben de neiging dit te doen oriënteren loodrecht op de warmtestroom tijdens het stollen, vaak ongeveer evenwijdig aan de matrijsoppervlakken uitgelijnd. De vlokken produceren magnetische anisotropie:

• Flux reizen evenwijdig aan vlokken ontmoet andere demagnetiserende velden dan fluxkruisende vlokken loodrecht naar hun vliegtuig.
• Dus gemeten μr En permeabiliteitsspectra kan richtingsafhankelijk zijn; in de praktijk betekent dit dat magnetische circuits die gebruik maken van gietstukken rekening moeten houden met oriëntatie - b.v., het uitlijnen van fluxpaden om waar mogelijk de meer doorlaatbare richting te doorkruisen.

Grafietvlokken creëren ook lokale spanningsvelden, die de beweging van de domeinwand en daarmee het hysteresisgedrag verder beïnvloeden.

8. Elektrische weerstand, wervelstromen en magnetische verliezen in grijs ijzer

• Weerstand: Grijs gietijzer heeft dat meestal wel hogere elektrische weerstand dan koolstofarm staal omdat grafietvlokken en onzuiverheden de elektronenpaden verstoren.
  Kwalitatief: soortelijke weerstand van grijs ijzer is meerdere× die van typisch koolstofarm staal. Een hogere soortelijke weerstand vermindert de wervelstroomsterkte voor een bepaald magnetisch wisselveld.
• Wervelstroomverlies: Voor AC-magnetisme, verlies = hysteresisverlies + wervelstroomverlies.
  Vanwege de hogere soortelijke weerstand en de vlokstructuur, Wervelverliezen in grijs ijzer zijn vaak lager dan in dicht staal met een vergelijkbare permeabiliteit, waardoor grijs ijzer relatief aantrekkelijk wordt waar magnetische velden met een lage tot matige frequentie bestaan ​​en wervelverliezen van belang zijn.
  Echter, grafietvlokken kunnen microcircuits creëren die het voorspellen van verliezen bemoeilijken.
• Hysterese verlies: Verhoogd door perliet/cementiet en domeinmuurpinning; grijs ijzer met een hoge perlietfractie heeft doorgaans een hoger hysteresisverlies dan ferritisch gietijzer.

Ontwerp implicatie: voor laagfrequente magnetische circuits (Gelijkstroom of statisch), grijs ijzer kan flux transporteren, maar past niet bij elektrische stalen kernen voor hoogefficiënte magnetische AC-circuits.

Voor componenten waarbij magnetisch verlies secundair is (motorbehuizingen in de buurt van motoren, magnetische montageoppervlakken), De combinatie van grijs ijzer van matige permeabiliteit en verminderd wervelverlies kan acceptabel zijn.

9. Praktische toepassingen en implicaties

Magnetische deeltjesinspectie (MPI)

• Grijs ijzer wel magnetiseerbaar en uitgebreid geïnspecteerd met behulp van MPI op oppervlakte- en bijna-oppervlaktedefecten.
  De magnetische respons (gemak van magnetisatie en vereiste stroom) hangt af van de permeabiliteit - ferritische gietstukken zijn gemakkelijker te magnetiseren dan perlitische gietstukken. Veldoriëntatie ten opzichte van grafietvlokken is van belang voor de gevoeligheid.

Motor & generatorhuizen, kozijnen en behuizingen

• Grijze ijzeren behuizingen worden vaak gebruikt voor mechanische ondersteuning in de buurt van magnetische machines. Hun magnetische permeabiliteit kan magnetisch rangeren veroorzaken of strooiveldpatronen veranderen.
  Ontwerpers moeten rekening houden met magnetische koppeling (bijv., geïnduceerde stromen, magnetische lekkage) wanneer behuizingen zich dicht bij actieve spoelen of permanente magneten bevinden.

EMI / magnetische afscherming

• Grijs ijzer kan vanwege zijn permeabiliteit fungeren als magnetisch pad of gedeeltelijke afscherming voor laagfrequente velden, Maar gespecialiseerde zachte magnetische legeringen of gelamineerd elektrisch staal hebben de voorkeur waar een hoge afschermingseffectiviteit en weinig verliezen vereist zijn.
  De hogere weerstand van grijs ijzer helpt bij middenfrequenties, maar een gebrek aan gecontroleerde permeabiliteit en anisotropie beperken de prestaties.

Wervelstroomtesten en EMI-koppeling

• Een verhoogde weerstand is voordelig voor het verminderen van wervelstromen in AC-omgevingen; Echter, grafietvlokken en porositeit maken een gedetailleerde voorspelling van het huideffect en het eddy-distributiecomplex.

Locatie van magnetische sensor en strooivelden

• Ingenieurs die fluxgate gebruiken, Hall- of inductieve sensoren in de buurt van gietstukken moeten rekening houden met lokale magnetische afwijkingen als gevolg van een inhomogene gietijzeren microstructuur en restspanningen.

10. Beste praktijken op het gebied van metingen en NDO-overwegingen

• Wanneer meten: specificeer de permeabiliteit of B-H-curve voor magnetisch kritische gietstukken (lagerhuizen in elektromagnetische actuatoren, frames die deel uitmaken van een magnetisch circuit).
• Hoe te meten: kleine kortingsbonnen (representatieve locatie en oriëntatie) gemeten in laboratorium met een permeameter of VSM;
  voor winkelacceptatie, Er wordt gebruik gemaakt van draagbare permeabiliteitsmeters of ring-/halsbandtests.
  Rapporteer beide aanvankelijke μr En μr op relevant veld (bijv., 0.5–1,0 T) plus hysteresislus als AC-verliezen ertoe doen.
• Voor MPI: kalibreer de magnetisatiestroom tot het laagste niveau dat nodig is om defecten aan het licht te brengen zonder ongewenste remanentie te stimuleren;
  onthoud dat verschillen in coërciviteit het behoud van magnetisatie kunnen veranderen (beïnvloedt demagnetisatie na het testen).
• Oriëntatie registreren: rapporteer altijd de oriëntatie van de toets (parallel/loodrecht op het gietoppervlak) omdat anisotropie bestaat.

11. Veel voorkomende misvattingen & Verduidelijkingen

Al het grijze gietijzer is zeer magnetisch

Vals. Magnetische sterkte hangt af van de matrixfase: Ferritisch EN-GJL-200 is sterk magnetisch (μᵢ = 380 U/m), terwijl perlitische EN-GJL-300 matig magnetisch is (μᵢ = 220 U/m). Grafietrijke kwaliteiten (C >3.5%) hebben een zwakke magnetische respons.

Het koolstofgehalte heeft geen invloed op het magnetisme

Vals. Koolstof vormt niet-magnetisch grafiet, waardoor C toeneemt 3.0% naar 3.8% vermindert de doorlaatbaarheid met 30–40% (cruciaal voor hoogmagnetische toepassingen).

Grijs gietijzer kan siliciumstaal vervangen in krachtige motoren

Vals. Siliciumstaal heeft μₘ = 5000–8000 H/m (2–4x hoger dan grijs gietijzer) en een lager hysteresisverlies: grijs gietijzer is beperkt tot laag tot gemiddeld vermogen (≤5 kW) toepassingen.

Warmtebehandeling heeft geen invloed op de magnetische eigenschappen

Vals. Door gloeien wordt perliet omgezet in ferriet, het verhogen van μᵢ met 30-35% - cruciaal voor het optimaliseren van de magnetische prestaties in post-cast componenten.

12. Conclusie

Grijs gietijzer is magnetisch, maar microstructuurgevoelig materiaal.

Ferritische microstructuren geven de beste permeabiliteit en het laagste hysteresisverlies, terwijl perlitische/gekoelde microstructuren de permeabiliteit verminderen en de coërciviteit en hysteresis verhogen.

Grafietvlokken introduceren anisotropie en verminderen plaatselijk de magnetische continuïteit, maar verhogen de elektrische weerstand (nuttig voor het beperken van wervelstromen).

Voor iedereen die magnetisch belangrijk is gieten (MPI, nabijheid van elektromagnetische apparaten, gedeeltelijke afscherming) specificeren en meten magnetische parameters (aanvankelijke μr, B – H-lus, dwang, oriëntatie) op representatieve coupons.

Bij twijfel, vraag de gieterij om B-H-gegevens of voer eenvoudige doorlaatbaarheidstests uit tijdens de inkomende inspectie.

 

Veelgestelde vragen

Is grijs gietijzer magnetisch?

Ja. Het is ferromagnetisch bij kamertemperatuur; Echter, de permeabiliteit en hysterese zijn sterk afhankelijk van de matrix (ferriet versus perliet), grafietinhoud en -verwerking.

Kan ik grijs ijzer gebruiken als magnetisch kernmateriaal??

Niet voor krachtige AC-kernen. Grijs ijzer kan flux transporteren en gedeeltelijke afscherming bieden bij lage frequenties, maar elektrisch staal of zachte magnetische legeringen geven veel beter, voorspelbare prestaties met lagere verliezen.

Hoe beïnvloedt grafiet de MPI-resultaten??

Grafiet vermindert de lokale permeabiliteit en veroorzaakt anisotropie.

Ferritische gebieden magnetiseren gemakkelijker en vertonen een hogere MPI-gevoeligheid; perlitische/gekoelde gebieden vereisen een sterkere magnetisatie en kunnen remanentie vasthouden.

Welke magnetische gegevens moet ik opvragen bij een leverancier??

Verzoek: vertegenwoordiger B – H-lussen (twee oriëntaties indien mogelijk), initiële en maximale μr, dwang (Hc), verzadiging Bs en een beschrijving van de gemeten oriëntatie/warmtebehandeling. Vraag ook metallografische foto's aan die de grafietmorfologie tonen.

Hoe verminder ik de remanente magnetisatie na MPI?

Gebruik gecontroleerde AC-demagnetisatie (geleidelijk afnemend wisselveld) of pas een DC-omkeerveld toe dat iets hoger is dan het remanente veld, volgens de NDT-standaardpraktijk. Controleer het restveld met een gaussmeter.