Właściwości magnetyczne żeliwa szarego

1. Wstęp

Szary (szary) żeliwo jest ferromagnetycznym materiałem konstrukcyjnym, którego zachowanie magnetyczne jest ustalane przez żelazną osnowę (ferryt/perlit/cementyt), Morfologia płatków grafitu i historia przetwarzania.

Te cechy mikrostrukturalne kontrolują przepuszczalność, przymus, nasycenie i straty — parametry istotne dla inspekcji magnetyczno-proszkowej, ekranowanie magnetyczne, bliskość silników/generatorów i zachowanie prądów wirowych.

Ten przewodnik wyjaśnia fizykę, podaje praktyczne wskazówki dotyczące pomiarów, przedstawia typowe zakresy liczbowe dla typowych mikrostruktur, i pokazuje, jak projektować i testować odlewy, gdy liczy się wydajność magnetyczna.

2. Podstawowy magnetyzm w materiałach żelaznych

Ferromagnetyzm w materiałach na bazie żelaza powstaje w wyniku wyrównanych momentów magnetycznych (niesparowane elektrony) w atomach Fe.

Pod zastosowanym polem H, domeny wyrównują się, tworząc gęstość strumienia magnetycznego B. Zależność B – H jest nieliniowa i wykazuje histerezę.

Kilka podstawowych pojęć:

• B (gęstość strumienia magnetycznego) I H (pole magnesujące) są powiązane nieliniową krzywą B – H.
• Względna przepuszczalność (μr) mierzy, o ile łatwiej jest namagnesować materiał niż w próżni (μr = B/(µ0H)).
• Przymus (Hc) jest odwrotnym polem potrzebnym do zredukowania B do zera po namagnesowaniu (miara tego, jak „trudno” usunąć namagnesowanie).
• Remanencja (br) jest resztkową gęstością strumienia, gdy H powraca do zera.
• Gęstość strumienia nasycenia (Bs) to maksymalne B, jakie materiał może wytrzymać (ograniczone przez ferromagnetyczny udział objętościowy).
• Temperatura Curie'go (Tc) to temperatura, powyżej której ferromagnetyzm zanika (dla faz żelaznych około ~770°C, nieznacznie modyfikowany przez dodawanie stopów).

Żeliwo szare zachowuje się jak miękki ferromagnetyk w temperaturze pokojowej (niska koercja w porównaniu z magnesami trwałymi), ale ze stratami przepuszczalności i histerezy, które w dużym stopniu zależą od mikrostruktury.

3. Co kontroluje magnetyzm w żeliwie szarym?

Szare żeliwo obejmuje płatki grafitowe osadzony w żelaznej matrycy (ferryt i/lub perlit, a czasami cementyt). Każdy składnik wpływa na magnetyzm:

• Ferryt (α-Fe) — żelazo sześcienne skupione na ciele. Miękki ferromagnetyk; zapewnia wyższą przepuszczalność i niską koercję.
• Perlite (mieszanina ferrytu i cementytu Fe₃C) — obszary perlityczne zawierają blaszki ferrytowe przeplatane cementytem;
  zmniejszają one efektywną przepuszczalność i zwiększają koercję w porównaniu z czystym ferrytem, ​​ponieważ cementyt nie jest ferromagnetyczny (lub słabo magnetyczny) i tworzy przypinanie domeny.
• Cementit (Fe₃c) — nie jest silnie ferromagnetyczny; działa jako rozcieńczalnik magnetyczny i miejsce przypinania ściany domeny.
• Płatki grafitowe — wtrącenia nieciągłe elektrycznie i strukturalnie. Grafit sam w sobie nie jest ferromagnetykiem; płatki zakłócają ciągłość magnetyczną i tworzą lokalne koncentracje naprężeń oraz wewnętrzne pola rozmagnesowujące.
  Wynik netto to zmniejszenie efektywnej przepuszczalności i zwiększone straty histerezy w porównaniu z matrycą w pełni ferrytyczną.

Dlatego: więcej ferrytu → wyższy μr, mniejsza koercja; więcej perlitu/cementytu → niższy μr, wyższa koercja i utrata histerezy.

Morfologia grafitu (rozmiar, orientacja, ułamek objętościowy) kontroluje anizotropię i rozpraszanie strumienia magnetycznego.

4. Kluczowe parametry magnetyczne i sposób ich pomiaru

• Krzywa B – H / pętla histerezy — mierzone za pomocą permeametru lub ramki Epsteina (do stali laminowanych) i daje μr(H), Hc, br, i B.
• Względna przepuszczalność, μr (początkowy i maksymalny) — początkowy μr przy małym H (dyktuje odpowiedź na małe sygnały) i maksymalne μr w umiarkowanych polach.
• Koercja Hc (A/m lub Oe) I pozostań gęstość strumienia Br (T) — wskazać, jak „miękkie” lub „twarde” jest zachowanie magnetyczne.
  Żelazo szare jest miękkim ferromagnetykiem (niskie Hc) w porównaniu do materiałów z magnesami trwałymi, ale zazwyczaj twardsze niż wyżarzane stale niskowęglowe, jeśli zawartość perlitu/cementytu jest wysoka.
• Gęstość strumienia nasycenia Bs (T) — mierzone przy wysokim H; Zawartość Bs w żeliwie szarym jest niższa niż w przypadku czystego żelaza ze względu na fazy niemagnetyczne i porowatość.
• Temperatura Curie Tc — dla faz żelaznych ~770°C; stopy i mikrostruktura nieznacznie zmieniają Tc; mierzone za pomocą analizy termomagnetycznej.

Typowe narzędzia pomiarowe:

• Przenośny mierniki przepuszczalności do szybkich kontroli w sklepie.
• Wibrujący magnetometr próbki (VSM) I histerezygraf do laboratoryjnych pętli B–H.
• Sondy wiroprądowe I analizatory impedancji dla przepuszczalności i strat zależnych od częstotliwości.

5. Właściwości magnetyczne typowych gatunków żeliwa szarego

Poniżej kompakt, pokazująca tabelę danych skupioną na inżynierii przedstawiciel zakresy właściwości magnetycznych dla typowych mikrostruktur żeliwa szarego i dla trzech powszechnie określonych gatunków.

Ponieważ właściwości magnetyczne żeliwa są w dużym stopniu zależne od procesu, wartości te są zakresami przeznaczonymi do wstępnego projektowania — w przypadku części magnetycznie krytycznych należy zamówić pętle B–H na reprezentatywnych kuponach.

Jak czytać i korzystać z tej tabeli (praktyczne wskazówki)

• Początkowe μr to przepuszczalność małych sygnałów - istotna dla czujników, małe pola prądu stałego i pierwszy etap magnesowania w badaniach NDT.
• Maksymalne µr wskazuje, jak łatwo materiał skoncentruje strumień przed osiągnięciem nasycenia — jest to ważne przy przewidywaniu ścieżek wycieków lub manewrowania.
• Przymus (Hc) pokazuje, jak „trudno” jest rozmagnesować materiał po namagnesowaniu (wyższe Hc → więcej pola remanentnego po MPI). Przelicz A/m → Oe, dzieląc przez ≈79,577 (np., 800 A/m ≈ 10.05 Oj).
• Nasycenie B jest praktyczną górną granicą gęstości strumienia; zawartość Bs w żeliwie szarym jest niższa niż w czystym żelazie i wielu stalach, ponieważ niemagnetyczny grafit i cementyt zmniejszają udział objętościowy ferromagnetyka.
• Rezystywność względna jest podawana jako wielokrotność rezystywności stali miękkiej (jakościowy).
  Wyższa rezystywność zmniejsza prądy wirowe przy częstotliwościach prądu przemiennego — jest to zaleta w przypadku obudów maszyn wirujących lub tam, gdzie problemem mogą być straty wirowe.

6. Jak chemia, mikrostruktura i obróbka zmieniają właściwości magnetyczne

Stopowanie:

• Zawartość węgla & grafityzacja: wyższy wolny węgiel → więcej grafitu → zmniejszone μr i Bs.
• Krzem sprzyja grafityzacji i zwiększa rezystywność; umiarkowany Si ma tendencję do zmniejszania przepuszczalności w porównaniu z czystym żelazem.
• Siarka, fosfor i inne pierwiastki śladowe wpływają na morfologię grafitu, a tym samym na ciągłość magnetyczną.
• Pierwiastki stopowe, takie jak Ni, Kr, Mn zmieniać interakcje wymiany magnetycznej i może obniżyć temperaturę Curie lub zmodyfikować koercję.

Obróbka cieplna:

• Wyżarzanie (ferryzujące) zwiększa frakcję ferrytu, zwiększa μr i zmniejsza koercję (łagodzi reakcję magnetyczną).
• Normalizowanie / szybsze chłodzenie zwiększa perlit/cementyt → zmniejsza μr i zwiększa Hc.
• Miejscowe ogrzewanie lub spawanie może powodować niejednorodność magnetyczną i naprężenia szczątkowe, który zmienia lokalną przepuszczalność i może być wykryty w sposób nieniszczący.

Odkształcenie mechaniczne:

• Obróbka na zimno wprowadza przemieszczenia i naprężenia szczątkowe → unieruchomienie ściany domeny zwiększa koercję i zmniejsza przepuszczalność. Redukcja stresu zmniejsza te skutki.

Porowatość & inkluzje:

• Pory i wtrącenia niemagnetyczne zakłócają ścieżki strumienia i obniżają efektywne μr i Bs. Mogą również zwiększać histerezę i straty.

7. Anizotropia i efekty płatków grafitu — dlaczego orientacja odlewu ma znaczenie

Płatki grafitu mają tendencję do orientować prostopadle do przepływu ciepła podczas krzepnięcia, często ułożone mniej więcej równolegle do powierzchni formy. Płatki produkują anizotropia magnetyczna:

• Podróżowanie strumieniem równolegle do płatków napotyka inne pola rozmagnesowujące niż płatki przechodzące przez strumień prostopadły do ich samolotu.
• Zatem zmierzone µr I widma przepuszczalności może być zależny od kierunku; w praktyce oznacza to, że obwody magnetyczne wykorzystujące odlewy powinny uwzględniać orientację — np., wyrównywanie ścieżek strumienia tak, aby przebiegały w bardziej przepuszczalnym kierunku, jeśli to możliwe.

Płatki grafitu tworzą również lokalne pola odkształceń, co dodatkowo wpływa na ruch ściany domeny, a tym samym na zachowanie histerezy.

8. Rezystywność elektryczna, prądy wirowe i straty magnetyczne w żeliwie szarym

• Oporność: Zwykle ma to żeliwo szare wyższa oporność elektryczna niż stal niskowęglowa, ponieważ płatki grafitu i zanieczyszczenia zakłócają ścieżki elektronów.
  Jakościowo: oporność szarego żelaza wynosi kilka× typowej stali niskowęglowej. Wyższa rezystywność zmniejsza wielkość prądu wirowego dla danego zmiennego pola magnetycznego.
• Strata wiroprądowa: Do magnesów prądu przemiennego, strata = strata histerezy + strata wiroprądowa.
  Ze względu na wyższą rezystywność i strukturę płatkową, straty wirowe w żeliwie szarym są często mniejsze niż w gęstej stali o podobnej przepuszczalności, czyni żeliwo szare stosunkowo atrakcyjnym tam, gdzie istnieją pola magnetyczne o niskiej do średniej częstotliwości i znaczenie mają straty wirowe.
  Jednakże, płatki grafitu mogą tworzyć mikroobwody, które utrudniają przewidywanie strat.
• Utrata histerezy: Zwiększone przez perlit/cementyt i przypinanie ścian domenowych; Żeliwo szare z dużą zawartością perlitu ma zazwyczaj wyższą utratę histerezy niż żeliwo ferrytyczne.

Implikacje projektowe: do obwodów magnetycznych niskiej częstotliwości (DC lub statyczny), Żeliwo szare może przenosić topnik, ale nie będzie pasować do stalowych rdzeni elektrycznych w wysokowydajnych obwodach magnetycznych prądu przemiennego.

Do komponentów, w których straty magnetyczne są wtórne (obudowy silników w pobliżu silników, magnetyczne powierzchnie montażowe), Dopuszczalne może być połączenie umiarkowanej przepuszczalności i zmniejszonych strat wirowych w żeliwie szarym.

9. Praktyczne zastosowania i implikacje

Kontrola cząstek magnetycznych (MPI)

• Szare żelazo jest magnesowalne i szeroko sprawdzane przy użyciu MPI pod kątem wad powierzchniowych i przypowierzchniowych.
  Odpowiedź magnetyczna (łatwość magnesowania i wymagany prąd) zależy od przepuszczalności – odlewy ferrytyczne łatwiej namagnesować niż perlityczne. Orientacja pola względem płatków grafitu ma znaczenie dla czułości.

Silnik & Obudowy generatora, ramki i obudowy

• Obudowy z żeliwa szarego są powszechnie stosowane do podparcia mechanicznego w pobliżu maszyn magnetycznych. Ich przenikalność magnetyczna może powodować manewrowanie magnetyczne lub zmieniać wzorce pola błądzącego.
  Projektanci muszą uwzględnić sprzężenie magnetyczne (np., prądy indukowane, wyciek magnetyczny) gdy obudowy znajdują się w pobliżu aktywnych cewek lub magnesów trwałych.

Emi / ekranowanie magnetyczne

• Żelazo szare może działać jako ścieżka magnetyczna lub częściowa osłona dla pól o niskiej częstotliwości ze względu na swoją przepuszczalność, Ale specjalistyczne miękkie stopy magnetyczne lub laminowane stale elektrotechniczne są preferowane tam, gdzie wymagana jest wysoka skuteczność ekranowania i niskie straty.
  Wyższa rezystywność szarego żelaza pomaga w przypadku częstotliwości pośrednich, ale brak kontrolowanej przepuszczalności i anizotropii ograniczają wydajność.

Testowanie prądami wirowymi i sprzężenie EMI

• Zwiększona rezystywność jest korzystna dla zmniejszenia prądów wirowych w środowiskach prądu przemiennego; Jednakże, Płatki grafitu i porowatość umożliwiają szczegółowe przewidywanie efektu naskórkowania i kompleksu rozkładu wirów.

Lokalizacja czujnika magnetycznego i pola rozproszone

• Inżynierowie używający fluxgate, Czujniki Halla lub indukcyjne w pobliżu odlewów muszą uwzględniać lokalne anomalie magnetyczne wynikające z niejednorodnej mikrostruktury żeliwa i naprężeń szczątkowych.

10. Najlepsza praktyka pomiarowa i względy NDT

• Kiedy mierzyć: określić przepuszczalność lub krzywą B – H dla odlewów magnetycznie krytycznych (obudowy łożysk w siłownikach elektromagnetycznych, ramy stanowiące część obwodu magnetycznego).
• Jak mierzyć: małe kupony (reprezentatywna lokalizacja i orientacja) mierzone w laboratorium za pomocą permeametru lub VSM;
  do akceptacji sklepu, stosuje się przenośne mierniki przepuszczalności lub testy pierścieniowe/kołnierzowe.
  Zgłoś oba początkowy μr I μr w odpowiednim polu (np., 0.5–1,0 T) plus pętla histerezy, jeśli straty AC mają znaczenie.
• Dla MPI: skalibrować prąd magnesowania do najniższego poziomu wymaganego do wykrycia defektów bez stymulowania niepożądanej remanencji;
  pamiętaj, że różnice w koercji mogą zmienić zachowanie namagnesowania (wpływa na rozmagnesowanie po badaniu).
• Orientacja rekordu: zawsze zgłaszaj orientację testu (równolegle/prostopadle do powierzchni odlewu) ponieważ istnieje anizotropia.

11. Powszechne nieporozumienia & Wyjaśnienia

Całe żeliwo szare jest silnie magnetyczne

FAŁSZ. Siła magnetyczna zależy od fazy matrycy: Ferrytyczny EN-GJL-200 jest silnie magnetyczny (μᵢ = 380 H/m), podczas gdy perlityczny EN-GJL-300 jest umiarkowanie magnetyczny (μᵢ = 220 H/m). Gatunki bogate w grafit (C >3.5%) mają słabą odpowiedź magnetyczną.

Zawartość węgla nie wpływa na magnetyzm

FAŁSZ. Węgiel tworzy niemagnetyczny grafit - zwiększając C z 3.0% Do 3.8% zmniejsza przepuszczalność o 30–40% (krytyczne w zastosowaniach o dużym natężeniu magnetycznym).

Żeliwo szare może zastąpić stal krzemową w silnikach dużej mocy

FAŁSZ. Stal krzemowa ma μₘ = 5000–8000 H/m (2–4x wyższa niż w przypadku żeliwa szarego) i niższe straty histerezy - żeliwo szare jest ograniczone do mocy od niskiej do średniej (≤5 kW) aplikacje.

Obróbka cieplna nie ma wpływu na właściwości magnetyczne

FAŁSZ. Wyżarzanie przekształca perlit w ferryt, zwiększenie μᵢ o 30–35% — ma kluczowe znaczenie dla optymalizacji wydajności magnetycznej komponentów po odlaniu.

12. Wniosek

Żeliwo szare jest magnesem, ale materiał wrażliwy na mikrostrukturę.

Mikrostruktury ferrytyczne zapewniają najlepszą przepuszczalność i najniższe straty histerezy, podczas gdy mikrostruktury perlityczne/schłodzone zmniejszają przepuszczalność i zwiększają koercję i histerezę.

Płatki grafitu wprowadzają anizotropię i lokalnie zmniejszają ciągłość magnetyczną, ale zwiększają oporność elektryczną (pomocne przy ograniczaniu prądów wirowych).

Dla każdego magnetycznie ważnego odlew (MPI, bliskość urządzeń elektromagnetycznych, częściowe ekranowanie) określić i zmierzyć parametry magnetyczne (początkowy μr, Pętla B–H, przymus, orientacja) na kuponach reprezentacyjnych.

Kiedy masz wątpliwości, poproś odlewnię o dane B–H lub przeprowadź proste testy przepuszczalności podczas kontroli przychodzącej.

 

Często zadawane pytania

Czy żeliwo szare jest magnetyczne?

Tak. Jest ferromagnetyczny w temperaturze pokojowej; Jednakże, jego przepuszczalność i histereza zależą silnie od matrycy (ferryt vs perlit), zawartość i przetwarzanie grafitu.

Czy mogę użyć żeliwa szarego jako materiału rdzenia magnetycznego??

Nie dla rdzeni AC o wysokiej wydajności. Żeliwo szare może przenosić strumień i zapewniać częściowe ekranowanie przy niskich częstotliwościach, ale stale elektrotechniczne lub miękkie stopy magnetyczne dają znacznie lepsze wyniki, przewidywalna wydajność przy niższych stratach.

Jak grafit wpływa na wyniki MPI?

Grafit zmniejsza lokalną przepuszczalność i powoduje anizotropię.

Regiony ferrytyczne magnesują się łatwiej i wykazują wyższą czułość MPI; obszary perlityczne/schłodzone wymagają silniejszego namagnesowania i mogą uwięzić pozostałości.

Jakich danych magnetycznych powinienem zażądać od dostawcy?

Wniosek: przedstawiciel Pętle B–H (jeśli to możliwe, dwie orientacje), początkowy i maksymalny μr, przymus (Hc), nasycenie Bs i opis zmierzonej orientacji/obróbki cieplnej. Poproś także o zdjęcia metalograficzne przedstawiające morfologię grafitu.

Jak zmniejszyć namagnesowanie resztkowe po MPI?

Stosuj kontrolowane rozmagnesowanie AC (stopniowo malejące pole przemienne) lub zastosuj pole odwrócone DC nieco wyższe niż pole remanentne, zgodnie ze standardową praktyką NDT. Sprawdź pole resztkowe za pomocą gaussometru.